亞利桑那州立大學Adv. Funct. Mater.:用雙交聯DNA水凝膠編程的軟機器人

【背景介紹】

刺激響應型水凝膠作為一種具有吸引力的智能材料，其通常由親水性聚合物網絡組成，它們的體積會響應于某些環境參數的改變而發生顯著變化。然而，目前大多數可用的水凝膠材料只能響應有限數量的非特異性物理或化學觸發器，如pH、溫度、光照等。這使得實現對動態材料系統的高精度、可編程控制非常具有挑戰性。因此，能夠控制特定區域的新型模塊化分子系統是變性材料和軟機器人所迫切需要的。

DNA納米技術提供高度特異性、可編程、動態和響應性的分子系統，在光學、量子電子學和治療學中得到應用。沃森-克里克堿基配對規則使得DNA鏈間的雜交具有高度特異性和可編程性，讓DNA成為構建具有優越可控性的智能材料的理想材料。雖然基于DNA的控制可以建立一個高度特異性的反應材料庫，但目前的設計仍存在一些挑戰。同時，盡管基于DNA的控制使得能夠建立高度特異性響應材料庫，但是對于當前設計存在若干挑戰。

【成果簡介】

最近，亞利桑那州立大學Hao Yan教授和Yan Liu教授團隊合作提出了一種將納米尺度DNA自組裝放大為宏觀機械響應的新策略。作者通過將分子工程連接DNA序列（Ls）引入化學交聯聚合物網絡，創造了一種新的機械響應材料—雙交聯DNA水凝膠（D-gel）。兩個Ls可以通過特異性DNA雜交與一個橋序列交聯，形成二級交聯劑。交聯密度的增加誘導凝膠收縮，從而可以通過外部DNA觸發動態控制D-gel的形態。此外，作者還研究了控制D-凝膠響應性的關鍵物理和化學參數。并將D-gel技術與自下而上的3D打印技術相結合，實現了宏觀物體的可編程重構和定向運動。相關成果以“Soft Robotics Programmed with Double Crosslinking DNA Hydrogels”發表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

【圖文導讀】

圖一

（a）D-gel反應機理的示意圖；

（b）用于合成D-gel的聚合反應；

（c）DNA交聯劑形成的示意圖；

（d，e）方形D-gel在與互補B序列孵育前后的熒光圖像；

（f，g）方形D-gel在與互補B序列孵育前后的SEM圖像。

圖二

（a）添加B序列后，方形D-gel在不同時間點的延時圖像；

（b）引入B序列后，方形D-gel的歸一化體積隨時間的變化曲線。

（c）與B序列（左上）孵育，在緩沖液中加熱（右上）并在10個循環周期內重復這些步驟后，方形D-gel的熒光圖像；

（d）重復收縮膨脹程序后方形D-gel的標準體積。

?圖三

（a）方形D-gel的收縮作L序列長度變化的函數；

（b~d）當L分別為12、15和20 mer polyA時，橋鏈分別為24、30和40 mer polyT時，方形D-gel的延時收縮。

（e）半成型交聯劑末端有效體積示意圖；

（f）所有可能的dsDNA交聯劑配置的示意圖。

圖四、水凝膠手掌的熒光圖像

（a）綠色通道表示無反應性PAAm凝膠的分布；

（b）紅色通道代表D-凝膠的分布；

（c）（a）和（b）的疊加；

（d）通過添加觸發鏈B1而形成的閉合拳頭結構。

圖五、結合DNA觸發器控制水凝膠手掌的運動

（a）制造策略方案；

（b）水凝膠手掌的代表性熒光圖像，在所需位置含有五種不同的水凝膠；

（c）從DNA觸發運動中獲得的八個手勢。

圖六、水凝膠手掌的抓放功能

（a）PAAm球體的熒光圖像。插圖：相同的光學圖像白光下的球體；

（b）放置在水凝膠手掌上的PAAm球體的熒光圖像。插圖：同一系統的光學圖像；

（c）緊握在封閉手掌內的球的熒光圖像。插圖：同一系統的光學圖像；

（d）打開手掌釋放的球的熒光圖像。插圖：同一系統的光學圖像。

【小結】

綜上所述，作者設計并開發了一種基于雙交聯機理的可編程機械響應DNA水凝膠。這種新型的響應材料對DNA序列具有高度的特異性、快速的動力學特性，在可編程、特異控制的軟機器人領域有著巨大的應用潛力。作者利用先進的制備技術，在設計的位置制備了具有D-gel的模塊化水凝膠器件。并在水凝膠手掌中觀察到了高度可編程的運動，證明了該系統的工程意義和實用價值。此外，作者還期望通過在DNA交聯劑中引入一個立足點設計，D-gel的可逆反應將僅由外部DNA觸發器介導，這將進一步提高D-gel的可編程性。

文獻鏈接：Soft Robotics Programmed with Double Crosslinking DNA Hydrogels（Adv. Funct. Mater. 2019, 1905911）

本文由我亦是行人編譯。

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