亚利桑那州立大学Adv. Funct. Mater.:用双交联DNA水凝胶编程的软机器人

【背景介绍】

刺激响应型水凝胶作为一种具有吸引力的智能材料，其通常由亲水性聚合物网络组成，它们的体积会响应于某些环境参数的改变而发生显著变化。然而，目前大多数可用的水凝胶材料只能响应有限数量的非特异性物理或化学触发器，如pH、温度、光照等。这使得实现对动态材料系统的高精度、可编程控制非常具有挑战性。因此，能够控制特定区域的新型模块化分子系统是变性材料和软机器人所迫切需要的。

DNA纳米技术提供高度特异性、可编程、动态和响应性的分子系统，在光学、量子电子学和治疗学中得到应用。沃森-克里克碱基配对规则使得DNA链间的杂交具有高度特异性和可编程性，让DNA成为构建具有优越可控性的智能材料的理想材料。虽然基于DNA的控制可以建立一个高度特异性的反应材料库，但目前的设计仍存在一些挑战。同时，尽管基于DNA的控制使得能够建立高度特异性响应材料库，但是对于当前设计存在若干挑战。

【成果简介】

最近，亚利桑那州立大学Hao Yan教授和Yan Liu教授团队合作提出了一种将纳米尺度DNA自组装放大为宏观机械响应的新策略。作者通过将分子工程连接DNA序列（Ls）引入化学交联聚合物网络，创造了一种新的机械响应材料—双交联DNA水凝胶（D-gel）。两个Ls可以通过特异性DNA杂交与一个桥序列交联，形成二级交联剂。交联密度的增加诱导凝胶收缩，从而可以通过外部DNA触发动态控制D-gel的形态。此外，作者还研究了控制D-凝胶响应性的关键物理和化学参数。并将D-gel技术与自下而上的3D打印技术相结合，实现了宏观物体的可编程重构和定向运动。相关成果以“Soft Robotics Programmed with Double Crosslinking DNA Hydrogels”发表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

【图文导读】

图一

（a）D-gel反应机理的示意图；

（b）用于合成D-gel的聚合反应；

（c）DNA交联剂形成的示意图；

（d，e）方形D-gel在与互补B序列孵育前后的荧光图像；

（f，g）方形D-gel在与互补B序列孵育前后的SEM图像。

图二

（a）添加B序列后，方形D-gel在不同时间点的延时图像；

（b）引入B序列后，方形D-gel的归一化体积随时间的变化曲线。

（c）与B序列（左上）孵育，在缓冲液中加热（右上）并在10个循环周期内重复这些步骤后，方形D-gel的荧光图像；

（d）重复收缩膨胀程序后方形D-gel的标准体积。

图三

（a）方形D-gel的收缩作L序列长度变化的函数；

（b~d）当L分别为12、15和20 mer polyA时，桥链分别为24、30和40 mer polyT时，方形D-gel的延时收缩。

（e）半成型交联剂末端有效体积示意图；

（f）所有可能的dsDNA交联剂配置的示意图。

图四、水凝胶手掌的荧光图像

（a）绿色通道表示无反应性PAAm凝胶的分布；

（b）红色通道代表D-凝胶的分布；

（c）（a）和（b）的叠加；

（d）通过添加触发链B1而形成的闭合拳头结构。

图五、结合DNA触发器控制水凝胶手掌的运动

（a）制造策略方案；

（b）水凝胶手掌的代表性荧光图像，在所需位置含有五种不同的水凝胶；

（c）从DNA触发运动中获得的八个手势。

图六、水凝胶手掌的抓放功能

（a）PAAm球体的荧光图像。插图：相同的光学图像白光下的球体；

（b）放置在水凝胶手掌上的PAAm球体的荧光图像。插图：同一系统的光学图像；

（c）紧握在封闭手掌内的球的荧光图像。插图：同一系统的光学图像；

（d）打开手掌释放的球的荧光图像。插图：同一系统的光学图像。

【小结】

综上所述，作者设计并开发了一种基于双交联机理的可编程机械响应DNA水凝胶。这种新型的响应材料对DNA序列具有高度的特异性、快速的动力学特性，在可编程、特异控制的软机器人领域有着巨大的应用潜力。作者利用先进的制备技术，在设计的位置制备了具有D-gel的模块化水凝胶器件。并在水凝胶手掌中观察到了高度可编程的运动，证明了该系统的工程意义和实用价值。此外，作者还期望通过在DNA交联剂中引入一个立足点设计，D-gel的可逆反应将仅由外部DNA触发器介导，这将进一步提高D-gel的可编程性。

文献链接：Soft Robotics Programmed with Double Crosslinking DNA Hydrogels（Adv. Funct. Mater.2019, 1905911）

本文由我亦是行人编译。

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