DNA納米技術(shù)：解鎖生物傳感與智能水凝膠的應(yīng)用密碼一、引言1.1研究背景與意義DNA納米技術(shù)作為多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，利用DNA分子獨特的納米尺寸、剛性結(jié)構(gòu)以及強大的編碼能力，在構(gòu)建各類納米結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出巨大潛力，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域。這一技術(shù)的興起，徹底改變了人們對DNA的傳統(tǒng)認知，使其從單純的遺傳信息載體轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N極具價值的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建工具。DNA納米技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到1982年，紐約大學(xué)的NedSeeman教授首次提出十字叉狀的Holiday結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)的線狀雙鏈DNA，它具有額外的兩個方向，能夠作為結(jié)構(gòu)單元用于合成更為復(fù)雜、尺寸更大的二維結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計堿基互補配對，減少序列對稱性，成功得到固定的十字叉狀Holiday類似結(jié)構(gòu)，并在四條臂末端添加粘性末端，實現(xiàn)了多個十字叉結(jié)構(gòu)單元組裝成二維甚至三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，次年正式設(shè)計出“四臂結(jié)”，開創(chuàng)了Tile組裝，標志著DNA納米技術(shù)的誕生。此后，科學(xué)家們不斷探索改進，1993年Seeman團隊在四臂結(jié)基礎(chǔ)上進行改進，形成更為穩(wěn)定的DX結(jié)構(gòu)，解決了多臂結(jié)靈活度高、組裝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)不確定的弊端，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍有待提高。1998年，加州理工學(xué)院的Winfree團隊使用DX作為結(jié)構(gòu)基元組裝出帶有條紋的二維平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，證實了DX可用于構(gòu)造二維平面結(jié)構(gòu)，是DNA納米構(gòu)圖的一個里程碑，但仍存在組裝形狀尺寸不可控以及DX結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的問題。2003年，顏顥團隊開發(fā)出十字Tile，結(jié)合了四臂結(jié)和DX的優(yōu)點，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；2005年，又提出有限尺寸DNA組裝結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法，為解決Tile組裝產(chǎn)物尺寸不可控問題提供了思路，但Tile組裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)率低、對化學(xué)計量比要求較高的問題尚待解決。直到2006年，加州理工學(xué)院的Rothemund開發(fā)了DNA折紙術(shù)，選用噬菌體DNAM13mp18作為長鏈，用兩百多條短的單鏈DNA將其折疊成想要的二維圖形，操作相對簡單，產(chǎn)物復(fù)雜度更高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大增強，為其在各領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此后，DNA納米技術(shù)不斷發(fā)展，人們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜DNA圖案可控自組裝圖形構(gòu)建，其圖形之精確令人驚嘆。在生物傳感領(lǐng)域，早期的核酸分子探針是DNA納米材料的重要應(yīng)用之一，通過堿基互補配對及其他非共價作用實現(xiàn)對目標物的識別，并通過光、電等信號報告識別結(jié)果，已廣泛應(yīng)用于物理參數(shù)以及化學(xué)和生物學(xué)組分物質(zhì)的傳感和檢測。近年來，DNA水凝膠作為一種新型生物傳感材料受到廣泛關(guān)注。DNA水凝膠是由DNA交聯(lián)聚合物骨架或純DNA模塊自組裝形成的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，具有良好的生物相容性、可降解性、穩(wěn)定性和力學(xué)性能?；诳删幊藾NA組裝或降解反應(yīng)，可發(fā)展高靈敏的生物傳感方法。隨著核酸擴增技術(shù)的發(fā)展及納米材料的整合應(yīng)用，研究人員已開發(fā)出多種功能化DNA水凝膠并用于各類分子的檢測分析，如基于DNA水凝膠的熒光、比色、電化學(xué)、SERS生物傳感等，針對小分子、離子、蛋白質(zhì)、核酸、細胞等不同類型靶標的檢測策略不斷涌現(xiàn)。在智能水凝膠領(lǐng)域，DNA水凝膠同樣展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。由于其結(jié)構(gòu)可隨溫度、pH值、鹽離子強度和代謝物濃度等環(huán)境因素的改變而相應(yīng)發(fā)生變化，因此“刺激”響應(yīng)或者智能水凝膠愈發(fā)受到研究者們的關(guān)注。通過特定核酸序列的設(shè)計，能夠使DNA水凝膠響應(yīng)環(huán)境或分子刺激，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的相變狀態(tài)與信號，作為一種優(yōu)良的生物功能材料應(yīng)用于智能響應(yīng)系統(tǒng)。例如，一些DNA水凝膠可以在特定分子存在時發(fā)生溶脹或收縮，從而實現(xiàn)對環(huán)境中特定物質(zhì)的響應(yīng)和檢測；還可以利用DNA水凝膠的可編程性，設(shè)計出具有特定功能的智能材料，如藥物釋放系統(tǒng)、細胞培養(yǎng)支架等。DNA納米技術(shù)在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的研究具有極其重要的意義。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，精準的生物傳感技術(shù)對于疾病的早期診斷、病情監(jiān)測和個性化治療至關(guān)重要。基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對生物標志物的高靈敏、高特異性檢測，為疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷提供有力工具，有助于提高疾病治療的成功率和患者的生存率。智能水凝膠作為一種新型生物材料，可用于藥物的負載與緩釋、組織工程和細胞培養(yǎng)等方面，為疾病治療和組織修復(fù)提供了新的策略和方法。在材料科學(xué)領(lǐng)域，DNA納米技術(shù)為智能材料的設(shè)計和制備提供了新的思路和方法，推動了材料科學(xué)向智能化、功能化方向發(fā)展。通過將DNA納米結(jié)構(gòu)與其他材料相結(jié)合，可以制備出具有獨特性能的復(fù)合材料，拓展了材料的應(yīng)用范圍。DNA納米技術(shù)在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的研究，不僅有助于解決生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，還將為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的機遇和突破，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.2研究現(xiàn)狀近年來，DNA納米技術(shù)在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域的研究取得了顯著進展，吸引了全球眾多科研團隊的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外研究人員圍繞DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備及其在生物傳感和智能水凝膠中的應(yīng)用展開了深入探索，不斷拓展其應(yīng)用范圍和功能。在生物傳感領(lǐng)域，DNA納米技術(shù)的應(yīng)用研究十分活躍。國外方面，哈佛大學(xué)的科研團隊利用DNA折紙技術(shù)構(gòu)建了高度精確的納米結(jié)構(gòu)，并將其作為生物傳感器的核心組件。他們通過在DNA納米結(jié)構(gòu)表面修飾特定的核酸適配體，實現(xiàn)了對多種生物分子的高特異性識別和檢測。例如，針對腫瘤標志物的檢測，該團隊設(shè)計的DNA納米傳感器能夠在復(fù)雜的生物樣品中準確識別目標分子，檢測靈敏度達到皮摩爾級別，為腫瘤的早期診斷提供了新的技術(shù)手段。加州理工學(xué)院的研究人員則致力于開發(fā)基于DNAzyme的生物傳感器，利用DNAzyme對特定金屬離子的催化活性，實現(xiàn)了對金屬離子的高靈敏檢測。他們通過巧妙設(shè)計DNAzyme的序列和結(jié)構(gòu)，使其對鉛離子、汞離子等重金屬離子具有極高的選擇性，檢測限可低至納摩爾水平，在環(huán)境監(jiān)測和食品安全檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。國內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。中國科學(xué)院的科研團隊創(chuàng)新性地將DNA水凝膠與納米材料相結(jié)合，開發(fā)出一系列高性能的生物傳感器。他們利用氧化石墨烯的優(yōu)異電學(xué)性能和DNA水凝膠的生物相容性，構(gòu)建了基于DNA水凝膠-氧化石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)傳感器，實現(xiàn)了對多種生物分子的快速、靈敏檢測。例如，在檢測微小核糖核酸（miRNA）時，該傳感器展現(xiàn)出卓越的性能，檢測靈敏度比傳統(tǒng)方法提高了數(shù)倍，為疾病的早期診斷和治療提供了有力的技術(shù)支持。此外，清華大學(xué)的研究人員基于DNA納米技術(shù)開發(fā)了一種新型的熒光生物傳感器，通過對DNA序列的精確設(shè)計和熒光基團的巧妙修飾，實現(xiàn)了對細胞內(nèi)特定分子的實時、動態(tài)監(jiān)測。該傳感器能夠在活細胞內(nèi)準確檢測目標分子的濃度變化，為細胞生物學(xué)研究提供了新的工具。當前，DNA納米技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域的研究熱點主要集中在提高傳感器的靈敏度、特異性和穩(wěn)定性，以及拓展其檢測范圍和應(yīng)用場景。隨著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，對生物標志物的檢測需求日益增長，開發(fā)能夠同時檢測多種生物標志物的多通道DNA納米傳感器成為研究的重點之一。此外，將DNA納米技術(shù)與微流控技術(shù)、人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)生物傳感的微型化、自動化和智能化，也是未來的發(fā)展趨勢。然而，該領(lǐng)域仍面臨一些難點問題，如DNA納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備技術(shù)有待完善，以降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率；在復(fù)雜生物樣品中，如何有效消除非特異性干擾，提高傳感器的準確性和可靠性，仍是亟待解決的挑戰(zhàn)；DNA納米傳感器與生物體系的兼容性問題也需要進一步研究，以確保其在體內(nèi)應(yīng)用的安全性和有效性。在智能水凝膠領(lǐng)域，DNA納米技術(shù)的應(yīng)用同樣取得了長足的進步。國外的一些研究團隊利用DNA的可編程性和特異性識別能力，設(shè)計合成了具有多種響應(yīng)特性的智能DNA水凝膠。例如，德國的研究人員開發(fā)了一種溫度和pH雙重響應(yīng)的DNA水凝膠，通過精確控制DNA序列和交聯(lián)方式，使水凝膠在不同的溫度和pH條件下能夠發(fā)生可逆的溶脹和收縮，這種智能水凝膠在藥物釋放和生物分離等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。美國的科研團隊則致力于開發(fā)基于DNA水凝膠的細胞培養(yǎng)支架，利用DNA水凝膠的生物相容性和可降解性，為細胞提供了一個良好的生長微環(huán)境。他們通過在DNA水凝膠中引入特定的細胞粘附分子和生長因子，促進了細胞的粘附、增殖和分化，為組織工程和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的材料選擇。國內(nèi)在智能DNA水凝膠的研究方面也成果斐然。復(fù)旦大學(xué)的研究團隊設(shè)計合成了一種具有自修復(fù)功能的DNA水凝膠，通過引入動態(tài)共價鍵和超分子相互作用，使水凝膠在受到損傷后能夠自動修復(fù)，恢復(fù)其原有性能。這種自修復(fù)DNA水凝膠在生物醫(yī)學(xué)工程和軟機器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。浙江大學(xué)的研究人員則開發(fā)了一種基于DNA水凝膠的智能響應(yīng)材料，能夠?qū)Χ喾N生物分子和環(huán)境因素做出快速響應(yīng)。他們利用DNA水凝膠與生物分子之間的特異性相互作用，實現(xiàn)了對生物分子的高效檢測和分離，同時通過調(diào)控水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，使其能夠在不同的環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的性能，為智能材料的設(shè)計和應(yīng)用提供了新的思路。目前，智能DNA水凝膠的研究熱點主要包括開發(fā)具有更多樣化響應(yīng)特性的水凝膠材料，如對生物分子、光、電、磁等多種刺激的響應(yīng)；探索DNA水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如藥物控釋、組織工程、生物成像等；研究DNA水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，以實現(xiàn)對水凝膠性能的精確調(diào)控。然而，該領(lǐng)域也面臨一些挑戰(zhàn)，如DNA水凝膠的力學(xué)性能相對較弱，限制了其在一些對力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場景中的應(yīng)用；如何提高DNA水凝膠的響應(yīng)速度和響應(yīng)精度，使其能夠滿足實際應(yīng)用的需求，也是需要進一步研究的問題；此外，DNA水凝膠的大規(guī)模制備和工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)仍有待完善，以降低成本并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。1.3研究目的與方法本研究旨在全面、深入地剖析DNA納米技術(shù)在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的應(yīng)用原理、應(yīng)用案例、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展前景。通過系統(tǒng)地梳理相關(guān)理論和實踐成果，揭示DNA納米技術(shù)在這兩個領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢和潛在價值，為進一步推動該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和實踐參考。在研究過程中，本文主要采用了以下幾種研究方法：文獻研究法：廣泛搜集國內(nèi)外關(guān)于DNA納米技術(shù)在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的相關(guān)文獻資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報告、專利文獻等。對這些文獻進行系統(tǒng)的整理和分析，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為后續(xù)的研究提供堅實的理論基礎(chǔ)。通過對大量文獻的研讀，梳理出DNA納米技術(shù)在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)出不同研究方向的重點和難點，把握當前研究的熱點問題。案例分析法：選取具有代表性的DNA納米技術(shù)在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的應(yīng)用案例進行深入分析。例如，在生物傳感領(lǐng)域，選擇基于DNA水凝膠的重金屬離子檢測案例，詳細分析其檢測原理、實驗過程、檢測性能以及實際應(yīng)用效果等；在智能水凝膠領(lǐng)域，選取溫度響應(yīng)型DNA水凝膠用于藥物釋放的案例，研究其在不同溫度條件下的溶脹行為、藥物釋放機制以及對藥物釋放的調(diào)控效果等。通過對這些具體案例的分析，深入理解DNA納米技術(shù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢和局限性，為解決實際問題提供參考依據(jù)。對比研究法：將DNA納米技術(shù)與傳統(tǒng)的生物傳感技術(shù)和水凝膠制備技術(shù)進行對比，分析其在性能、成本、應(yīng)用范圍等方面的差異。例如，對比基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器與傳統(tǒng)的酶傳感器在檢測靈敏度、特異性、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)劣；比較DNA水凝膠與傳統(tǒng)聚合物水凝膠在制備方法、機械性能、生物相容性等方面的不同。通過對比研究，突出DNA納米技術(shù)的獨特優(yōu)勢和創(chuàng)新之處，明確其在生物傳感及智能水凝膠領(lǐng)域的應(yīng)用潛力和發(fā)展方向。二、DNA納米技術(shù)的基本原理與特點2.1DNA納米技術(shù)的原理DNA，即脫氧核糖核酸，作為遺傳信息的攜帶者，其分子結(jié)構(gòu)具有高度的特異性和穩(wěn)定性，是DNA納米技術(shù)的核心基礎(chǔ)。從分子層面來看，DNA由兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)賦予了DNA分子剛性與穩(wěn)定性，使其能夠在納米尺度上保持特定的形狀和構(gòu)象。DNA的基本組成單位是脫氧核苷酸，每個脫氧核苷酸由一分子含氮堿基、一分子脫氧核糖和一分子磷酸組成。含氮堿基包括腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），它們通過氫鍵相互配對，遵循嚴格的堿基互補配對原則，即A與T配對，形成兩個氫鍵；C與G配對，形成三個氫鍵。這種精確的堿基互補配對特性是DNA納米技術(shù)的關(guān)鍵，為納米結(jié)構(gòu)的精準構(gòu)建提供了可靠的分子識別機制。DNA納米技術(shù)正是巧妙地利用了堿基互補配對原則，將DNA分子視為可編程的“納米積木”，通過精心設(shè)計DNA序列，實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的精確控制和構(gòu)建。在構(gòu)建DNA納米結(jié)構(gòu)時，研究人員根據(jù)目標結(jié)構(gòu)的形狀、大小和功能需求，設(shè)計相應(yīng)的DNA序列。例如，構(gòu)建二維的DNA納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可設(shè)計一系列具有特定長度和序列的DNA單鏈，這些單鏈通過堿基互補配對相互結(jié)合，形成規(guī)則的網(wǎng)格狀圖案。在這個過程中，每條DNA單鏈的堿基序列都經(jīng)過精確設(shè)計，以確保它們能夠按照預(yù)定的方式相互識別和結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)。對于三維DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，同樣依賴于堿基互補配對原則，但設(shè)計過程更為復(fù)雜。以構(gòu)建DNA納米八面體為例，需要設(shè)計六條特定序列的DNA單鏈，每條單鏈的兩端分別與其他兩條單鏈的相應(yīng)部分互補配對，通過精確的堿基配對和分子間相互作用，最終組裝成八面體結(jié)構(gòu)。這種基于堿基互補配對的自組裝過程是DNA納米技術(shù)的核心原理，它使得研究人員能夠在納米尺度上精確構(gòu)建出各種形狀和功能的DNA納米結(jié)構(gòu)，為其在生物傳感、智能水凝膠等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。2.2DNA納米技術(shù)的獨特優(yōu)勢DNA納米技術(shù)之所以在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，源于其一系列獨特的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢為解決傳統(tǒng)技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域面臨的難題提供了新的思路和方法。可編程性：DNA納米技術(shù)的可編程性是其最為突出的優(yōu)勢之一。由于DNA分子嚴格遵循堿基互補配對原則，研究人員可以通過精確設(shè)計DNA序列，如同編寫計算機程序一般，實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的形狀、大小和功能進行精準調(diào)控。這種可編程性使得DNA納米結(jié)構(gòu)能夠滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。在構(gòu)建生物傳感器時，可以根據(jù)目標檢測物的特性，設(shè)計特定的DNA序列，使其能夠特異性地識別目標物，并通過與目標物的相互作用產(chǎn)生可檢測的信號變化。例如，針對特定的蛋白質(zhì)分子，設(shè)計與之互補的核酸適配體序列，并將其整合到DNA納米結(jié)構(gòu)中，當?shù)鞍踪|(zhì)與核酸適配體特異性結(jié)合時，會引起DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，進而導(dǎo)致熒光信號、電化學(xué)信號等檢測信號的改變，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的高靈敏檢測。在智能水凝膠的構(gòu)建中，可編程性同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過設(shè)計不同的DNA序列和交聯(lián)方式，可以調(diào)控水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，使其對溫度、pH值、離子強度、生物分子等多種刺激產(chǎn)生特定的響應(yīng)。例如，設(shè)計一種對特定生物分子敏感的DNA水凝膠，當目標生物分子存在時，與DNA水凝膠中的特定序列發(fā)生特異性結(jié)合，引發(fā)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，從而實現(xiàn)對生物分子的響應(yīng)和檢測。這種可編程性賦予了DNA納米技術(shù)極大的靈活性和創(chuàng)新性，使其能夠在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域不斷拓展新的應(yīng)用。生物相容性：DNA作為生物體中天然存在的生物大分子，具有出色的生物相容性，這是DNA納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。與許多合成材料相比，DNA納米結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)不易引起免疫反應(yīng)和細胞毒性，能夠與生物體系和諧共處，為其在生物傳感和智能水凝膠中的應(yīng)用提供了安全保障。在生物傳感方面，基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器可以直接應(yīng)用于生物樣品的檢測，如血液、尿液、細胞裂解液等，不會對生物樣品的成分和性質(zhì)產(chǎn)生干擾，保證了檢測結(jié)果的準確性和可靠性。在藥物遞送和疾病治療等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，DNA納米結(jié)構(gòu)可以作為藥物載體，將藥物精準地遞送至病變部位，同時減少對正常組織和細胞的損害。例如，一些研究利用DNA納米結(jié)構(gòu)包裹抗癌藥物，通過靶向修飾使其能夠特異性地識別腫瘤細胞，將藥物高效地遞送至腫瘤組織，提高藥物的治療效果，降低藥物的毒副作用。在智能水凝膠領(lǐng)域，DNA水凝膠的生物相容性使其成為細胞培養(yǎng)和組織工程的理想材料。DNA水凝膠可以為細胞提供一個類似于天然細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細胞的粘附、增殖和分化，促進組織的修復(fù)和再生。例如，將細胞種植在DNA水凝膠支架上，細胞能夠在水凝膠中正常生長和代謝，并且DNA水凝膠的生物相容性有助于減少炎癥反應(yīng)和免疫排斥，提高細胞治療和組織工程的成功率。納米尺度精確控制：DNA分子的尺寸處于納米量級，這使得DNA納米技術(shù)能夠在納米尺度上實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的精確控制。納米尺度的精確控制賦予了DNA納米結(jié)構(gòu)獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能。在生物傳感中，納米尺度的DNA納米結(jié)構(gòu)能夠與生物分子在分子水平上進行相互作用，提高檢測的靈敏度和特異性。由于納米結(jié)構(gòu)的高比表面積，能夠增加與目標生物分子的結(jié)合位點，從而增強檢測信號。例如，基于DNA納米線的生物傳感器，其納米級的直徑可以有效地捕獲和傳輸生物分子的信號，實現(xiàn)對生物分子的超靈敏檢測。在智能水凝膠領(lǐng)域，納米尺度的精確控制可以調(diào)控水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔隙大小，從而影響水凝膠的溶脹性能、藥物釋放速率等。通過精確控制DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝方式和交聯(lián)程度，可以制備出具有不同孔隙大小和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的DNA水凝膠，使其適用于不同的應(yīng)用場景。例如，對于藥物釋放應(yīng)用，可以設(shè)計具有特定孔隙大小的DNA水凝膠，使藥物能夠在特定條件下緩慢釋放，實現(xiàn)藥物的長效控釋。納米尺度的精確控制還使得DNA納米結(jié)構(gòu)能夠與其他納米材料進行復(fù)合，構(gòu)建出具有多功能的復(fù)合材料，進一步拓展其應(yīng)用范圍。三、DNA納米技術(shù)在生物傳感中的應(yīng)用3.1生物傳感的基本原理與分類生物傳感技術(shù)作為現(xiàn)代分析檢測領(lǐng)域的重要組成部分，其基本原理是利用生物識別元件與目標物質(zhì)之間的特異性相互作用，將這種分子層面的識別事件轉(zhuǎn)化為可檢測的物理或化學(xué)信號，從而實現(xiàn)對目標物質(zhì)的定性或定量分析。生物識別元件是生物傳感器的核心組成部分，它能夠高度特異性地識別目標物質(zhì)，常見的生物識別元件包括酶、抗體、核酸適配體、DNA、RNA等。以酶為例，酶是一種具有高度特異性催化活性的蛋白質(zhì)，它能夠與特定的底物分子結(jié)合，通過催化底物的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測的產(chǎn)物變化，如產(chǎn)物的生成、底物的消耗、pH值的改變等，這些變化可以被相應(yīng)的換能器檢測并轉(zhuǎn)化為電信號、光信號等可測量的信號?？贵w則是由免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的一種蛋白質(zhì)，它能夠與特定的抗原分子特異性結(jié)合，形成抗原-抗體復(fù)合物，這種結(jié)合事件可以通過光學(xué)、電化學(xué)等方法進行檢測。核酸適配體是通過指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進化技術(shù)（SELEX）篩選得到的一段單鏈DNA或RNA序列，它能夠與特定的目標分子，如蛋白質(zhì)、小分子、金屬離子等，發(fā)生特異性結(jié)合，且具有親和力高、特異性強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。DNA和RNA作為遺傳信息的載體，同樣可以作為生物識別元件，通過堿基互補配對原則與目標核酸序列特異性結(jié)合，實現(xiàn)對核酸分子的檢測。換能器是生物傳感器中將生物識別事件轉(zhuǎn)化為可檢測信號的關(guān)鍵部件，它能夠?qū)⑸锘瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物理或化學(xué)變化轉(zhuǎn)化為電信號、光信號、熱信號、聲信號等易于檢測和處理的信號形式。根據(jù)換能器的工作原理和檢測信號的不同，生物傳感器可以分為多種類型，其中電化學(xué)傳感和光學(xué)傳感是兩種最為常見的類型。電化學(xué)傳感是利用生物識別元件與目標物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的電化學(xué)變化，如電流、電位、阻抗等，通過電化學(xué)電極將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號進行檢測。在基于酶的電化學(xué)傳感器中，酶催化底物反應(yīng)會導(dǎo)致電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電流變化，通過測量電流的大小可以定量分析底物的濃度。常見的電化學(xué)傳感器包括酶電極傳感器、離子選擇性電極傳感器、電化學(xué)免疫傳感器等。酶電極傳感器是將酶固定在電極表面，當?shù)孜锱c酶發(fā)生反應(yīng)時，產(chǎn)生的電子或離子會在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電信號；離子選擇性電極傳感器則是利用離子選擇性膜對特定離子的選擇性透過性，當溶液中的離子與膜表面的離子交換時，會產(chǎn)生電位差，通過測量電位差可以檢測離子的濃度；電化學(xué)免疫傳感器是將免疫反應(yīng)與電化學(xué)檢測相結(jié)合，利用抗原-抗體特異性結(jié)合產(chǎn)生的電化學(xué)信號變化來檢測抗原或抗體的濃度。光學(xué)傳感是利用生物識別元件與目標物質(zhì)相互作用時引起的光學(xué)性質(zhì)變化，如光的吸收、發(fā)射、散射、偏振等，通過光學(xué)檢測儀器將這些變化轉(zhuǎn)化為光信號進行檢測。在基于熒光標記的光學(xué)傳感器中，當熒光標記的生物識別元件與目標物質(zhì)結(jié)合時，熒光信號會發(fā)生變化，通過測量熒光強度、熒光壽命、熒光偏振等參數(shù)可以定量分析目標物質(zhì)的濃度。常見的光學(xué)傳感器包括熒光傳感器、表面增強拉曼散射（SERS）傳感器、光學(xué)生物傳感器等。熒光傳感器是利用熒光物質(zhì)在受到激發(fā)光照射時會發(fā)射出熒光的特性，將熒光物質(zhì)標記在生物識別元件上，當生物識別元件與目標物質(zhì)結(jié)合時，熒光信號會發(fā)生變化，通過測量熒光信號的變化來檢測目標物質(zhì)；SERS傳感器則是利用金屬納米結(jié)構(gòu)表面的等離子體共振效應(yīng)，當分子吸附在金屬納米結(jié)構(gòu)表面時，拉曼散射信號會得到極大增強，通過檢測增強的拉曼散射信號可以實現(xiàn)對分子的高靈敏檢測；光學(xué)生物傳感器是利用光與生物分子相互作用時產(chǎn)生的光學(xué)信號變化來檢測生物分子，如利用表面等離子體共振（SPR）技術(shù)的傳感器，當生物分子與固定在金屬表面的探針分子結(jié)合時，會引起金屬表面折射率的變化，從而導(dǎo)致SPR信號的改變，通過檢測SPR信號的變化可以實時監(jiān)測生物分子的相互作用。3.2DNA納米技術(shù)在生物傳感中的應(yīng)用案例3.2.1基于DNA納米結(jié)構(gòu)的SERS生物傳感用于疾病標志物檢測表面增強拉曼散射（SERS）技術(shù)作為一種極具潛力的高靈敏檢測手段，能夠在分子層面獲取豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，在疾病標志物檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)SERS檢測面臨著等離子體納米探針精確組裝困難、檢測特異性和靈敏度有待提高以及背景干擾等問題，限制了其在實際臨床檢測中的應(yīng)用。為解決這些難題，青島科技大學(xué)周宏教授、何鵬副教授團隊受農(nóng)業(yè)聯(lián)合機械化的啟發(fā)，構(gòu)建了一種獨特的剪切-滾動-組裝集成納米器件（CRAIN），為高性能SERS檢測疾病標志物開辟了新路徑，相關(guān)研究成果發(fā)表于《AdvancedFunctionalMaterials》。CRAIN的構(gòu)建巧妙地融合了多種DNA納米結(jié)構(gòu)，形成了一個高效的檢測體系。該體系引入DNA納米管作為構(gòu)建載體，利用其獨特的管狀結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的物理性質(zhì)，為后續(xù)的納米結(jié)構(gòu)組裝提供了堅實的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計具有DNAzyme步行鏈的多取向DNA納米輥，這種納米輥的獨特設(shè)計有效增加了反應(yīng)取向和局域濃度。DNAzyme步行鏈能夠在特定條件下沿著DNA納米管表面進行移動，通過與目標分子的特異性識別，激活納米滾輪的自主運動。當納米滾輪遇到金基板上的發(fā)夾軌道時，會在軌道上進行循環(huán)地剪切和滾動，這一過程顯著提高了反應(yīng)速率。通過目標特異性識別，激活的納米滾輪可以自主地沿著金基板上的發(fā)夾軌道進行循環(huán)地剪切和滾動，從而顯著提高反應(yīng)速率。該團隊使用核酸編碼的海膽形金銀復(fù)合納米球（nMGS）作為SERS增強探針。這種納米球具有獨特的海膽形狀，表面布滿了尖銳的刺狀結(jié)構(gòu)，極大地增加了其比表面積，從而能夠提供更多的SERS增強位點。通過剪切-滾動過程介導(dǎo)的nMGS探針的受控組裝，促進了高密度熱點域的形成。在這些熱點區(qū)域，SERS信號得到極大增強，進一步改善了檢測靈敏度。以microRNA-21的檢測為例，microRNA-21作為一種與多種癌癥密切相關(guān)的疾病標志物，其在癌癥早期診斷中具有重要意義。在CRAIN系統(tǒng)中，當目標microRNA-21存在時，它會與納米輥上的特定DNA序列發(fā)生特異性雜交，從而激活納米輥的運動。納米輥沿著發(fā)夾軌道的剪切-滾動過程，帶動nMGS探針在金基板表面進行有序組裝，形成高密度的SERS熱點區(qū)域。此時，當激發(fā)光照射到這些熱點區(qū)域時，nMGS探針表面的分子產(chǎn)生強烈的SERS信號，通過檢測這些信號的強度和特征峰，可以準確地定量檢測microRNA-21的濃度。實驗結(jié)果表明，CRAIN系統(tǒng)對microRNA-21的檢測限低至皮摩爾級別，具有出色的靈敏度和特異性，能夠在復(fù)雜的生物樣品中準確檢測到微量的microRNA-21。除了microRNA-21，CRAIN系統(tǒng)還展現(xiàn)出對丁酰膽堿酯酶活性和有機磷農(nóng)藥等多種分析物的高靈敏度檢測能力。對于丁酰膽堿酯酶活性的檢測，通過設(shè)計特定的DNA序列與丁酰膽堿酯酶的底物類似物相結(jié)合，當丁酰膽堿酯酶存在時，會催化底物類似物的水解反應(yīng)，從而引發(fā)納米輥的運動和nMGS探針的組裝，實現(xiàn)對丁酰膽堿酯酶活性的檢測。對于有機磷農(nóng)藥的檢測，利用有機磷農(nóng)藥與特定DNA序列的特異性結(jié)合，觸發(fā)CRAIN系統(tǒng)的響應(yīng)，實現(xiàn)對有機磷農(nóng)藥的高靈敏檢測。CRAIN系統(tǒng)的構(gòu)建為SERS生物傳感在疾病標志物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法。其獨特的設(shè)計理念和高效的組裝策略，有效解決了傳統(tǒng)SERS檢測面臨的諸多問題，顯著提高了檢測的靈敏度、特異性和可靠性。這種基于DNA納米結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新檢測技術(shù)，不僅在疾病早期診斷、臨床監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，還為生物傳感技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，有望推動生物傳感技術(shù)向更高性能、更廣泛應(yīng)用的方向發(fā)展。3.2.2DNAzyme功能化DNA納米結(jié)構(gòu)用于金屬離子檢測金屬離子在生物體內(nèi)的生理過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其濃度的異常變化往往與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此，開發(fā)高靈敏、高選擇性的金屬離子檢測方法對于疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測和食品安全等領(lǐng)域具有重要意義。中南大學(xué)馬昌杯團隊致力于整合DNAzyme的DNA納米結(jié)構(gòu)在生物傳感領(lǐng)域的研究，通過精心設(shè)計DNA納米結(jié)構(gòu)并結(jié)合DNAzyme的特異性催化活性，實現(xiàn)了對金屬離子的靈敏檢測，相關(guān)研究成果在國際頂級期刊《CoordinationChemistryReviews》上發(fā)表。DNAzyme，即脫氧核酶，是通過體外篩選得到的具有催化功能的DNA分子。它具有易于合成和修飾、化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及催化活性高等優(yōu)點，能夠特異性地識別和結(jié)合目標金屬離子，并在其存在下表現(xiàn)出獨特的催化活性。在該研究中，團隊巧妙地將DNAzyme整合到DNA納米結(jié)構(gòu)中，利用DNA納米結(jié)構(gòu)的可編程性和穩(wěn)定性，為DNAzyme提供了一個理想的作用平臺，同時增強了對金屬離子的識別和檢測能力。以鉛離子（Pb2?）檢測為例，團隊設(shè)計了一種基于DNA四面體納米結(jié)構(gòu)的Pb2?傳感器。DNA四面體是一種常見且穩(wěn)定的三維DNA納米結(jié)構(gòu)，由四條特定序列的DNA單鏈通過堿基互補配對自組裝而成。在這個傳感器中，其中一條DNA單鏈上包含了對Pb2?具有特異性識別能力的DNAzyme序列。當溶液中存在Pb2?時，它會與DNAzyme序列特異性結(jié)合，誘導(dǎo)DNAzyme發(fā)生構(gòu)象變化，從而激活其催化活性。被激活的DNAzyme能夠催化特定的底物反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測的信號變化。在本實驗中，選用了一種熒光標記的底物，當?shù)孜锉籇NAzyme催化水解后，熒光基團與淬滅基團分離，熒光信號顯著增強。通過檢測熒光信號的強度變化，即可實現(xiàn)對Pb2?濃度的定量分析。實驗結(jié)果表明，該傳感器對Pb2?具有極高的選擇性和靈敏度，檢測限低至納摩爾級別，能夠有效地排除其他金屬離子的干擾，準確檢測出溶液中的微量Pb2?。除了Pb2?，該團隊還成功實現(xiàn)了對其他金屬離子，如汞離子（Hg2?）、銅離子（Cu2?）等的檢測。對于Hg2?的檢測，設(shè)計了一種基于DNA折紙技術(shù)的納米結(jié)構(gòu)，將對Hg2?具有特異性識別能力的胸腺嘧啶-汞離子-胸腺嘧啶（T-Hg2?-T）堿基對引入到DNA折紙結(jié)構(gòu)中。當Hg2?存在時，會與T-Hg2?-T堿基對特異性結(jié)合，導(dǎo)致DNA折紙結(jié)構(gòu)的構(gòu)象發(fā)生變化，從而影響其表面標記的熒光分子的熒光信號。通過監(jiān)測熒光信號的變化，實現(xiàn)了對Hg2?的靈敏檢測。對于Cu2?的檢測，則利用了Cu2?能夠催化DNAzyme切割特定DNA序列的特性，設(shè)計了一種基于DNA納米線的傳感器。當Cu2?存在時，DNAzyme在其催化作用下切割DNA納米線，導(dǎo)致納米線的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，通過測量電學(xué)信號的變化，實現(xiàn)了對Cu2?的檢測。整合DNAzyme的DNA納米結(jié)構(gòu)在金屬離子檢測方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。這種檢測方法不僅具有高靈敏度和高選擇性，能夠準確檢測出極低濃度的金屬離子，而且具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。DNA納米結(jié)構(gòu)的引入，為DNAzyme提供了穩(wěn)定的空間環(huán)境，增強了其抗干擾能力，同時也便于對傳感器進行修飾和功能化，進一步拓展了其應(yīng)用范圍。該研究為金屬離子檢測領(lǐng)域提供了新的技術(shù)手段，有望在生物醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測和食品安全檢測等實際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，為解決相關(guān)領(lǐng)域的金屬離子檢測問題提供了有效的解決方案。3.2.3納米電穿孔-DNA張力傳感系統(tǒng)評估癌癥耐藥性癌癥耐藥性是癌癥治療過程中面臨的重大挑戰(zhàn)之一，嚴重影響了癌癥患者的治療效果和生存率。準確評估癌癥耐藥性對于制定個性化的治療方案、提高治療效果具有至關(guān)重要的意義。然而，傳統(tǒng)的藥物評估方法存在諸多局限性，如藥物遞送效率低、細胞活力測量時間長等，無法滿足臨床快速、準確評估癌癥耐藥性的需求。北京航空航天大學(xué)常凌乾課題組針對這些問題，開發(fā)了一種納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片，為癌癥耐藥性的評估提供了一種全新的解決方案，相關(guān)研究成果發(fā)表于《SmallMethods》期刊。該生物芯片由納米電穿孔遞送模塊和DNA張力傳感檢測模塊組成，兩模塊之間通過拼圖式的結(jié)構(gòu)組裝，這種設(shè)計增強了器件的靈活性，允許模塊的獨立設(shè)計和替換，為個性化定制提供了可能，同時也支持系統(tǒng)的擴展和升級。納米電穿孔遞送模塊利用納米通道的特殊結(jié)構(gòu)和電場效應(yīng)，實現(xiàn)了高效、快速的藥物遞送。在該模塊中，首先建立了一個細胞物理模型，深入分析了納米通道上細胞周圍的電場和電勢分布。結(jié)果顯示，當施加的系統(tǒng)電壓在10V-40V范圍內(nèi)時，會產(chǎn)生＞1V的跨膜電勢（細胞膜內(nèi)外的電勢差），成功地在細胞膜上進行了電穿孔。納米通道具有聚焦電場的功能，確保在低電壓下有足夠的電泳力將藥物分子推入細胞內(nèi)。實驗驗證了納米電穿孔遞送模塊具有較高的安全性（98%）和高效的遞送效率（90%），同時將細胞內(nèi)遞送速度提高了103倍，藥物內(nèi)化時間縮短至～3秒。這一高效的藥物遞送方式，極大地提高了藥物在細胞內(nèi)的濃度，為后續(xù)準確評估藥物對細胞的作用奠定了基礎(chǔ)。在納米電穿孔遞送模塊完成藥物遞送后，細胞被消化后沿著微流道進入DNA張力傳感檢測模塊。該DNA張力傳感器通過修飾的膽固醇自發(fā)地嵌入細胞膜。在藥物的刺激作用下，細胞的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，當這種變化超過DNA張力傳感器預(yù)設(shè)的力的閥值時，DNA張力傳感器發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，導(dǎo)致熒光信號的產(chǎn)生。通過分析細胞力學(xué)特性的變化情況，進而可以分析細胞的活性。以抗腫瘤藥物DOX作為藥物模型，并采用A549細胞（人類非小細胞肺癌）作為細胞模型進行實驗驗證。結(jié)果顯示，NDT介導(dǎo)的藥物遞送，在1分鐘內(nèi)可觀察到DOX（紅色熒光信號）被成功遞送進細胞內(nèi)。而且，在同一藥物濃度的情況下，基于納米電穿孔技術(shù)的NDT平臺能有效地提高了細胞的藥物內(nèi)化率。同時，DNA張力傳感器模塊能夠以熒光信號的強弱直接、快速（＜30分鐘）地反映藥物刺激下細胞活性的變化情況。而傳統(tǒng)試驗需要＞24小時才能進行一輪藥物評估。該研究還使用DNA張力傳感器模塊評估了在不同濃度（0、20、40、60和80μg/mL）下紫杉醇藥效，并與CCK-8試驗對于細胞存活率的定量結(jié)果進行對比，結(jié)果顯示二者一致，確認了這一DNA張力傳感器用于細胞存活評估的可靠性。納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片的開發(fā)，為癌癥耐藥性的評估提供了一種快速、準確、高效的新方法。該芯片將納米電穿孔技術(shù)與DNA張力傳感技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了藥物的快速遞送和細胞力學(xué)變化的實時檢測，能夠在短時間內(nèi)準確評估癌癥細胞對藥物的反應(yīng)，為臨床醫(yī)生制定個性化的癌癥治療方案提供了有力的技術(shù)支持。這種創(chuàng)新的技術(shù)平臺具有廣闊的應(yīng)用前景，有望在癌癥治療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動癌癥治療向更加精準、有效的方向發(fā)展。3.3DNA納米技術(shù)用于生物傳感的優(yōu)勢與面臨的挑戰(zhàn)DNA納米技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢，為生物傳感技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，推動了生物傳感技術(shù)向更高性能、更廣泛應(yīng)用的方向邁進。高度的可編程性：DNA納米技術(shù)的可編程性是其在生物傳感中最為突出的優(yōu)勢之一?；贒NA嚴格的堿基互補配對原則，研究人員能夠像編寫程序一樣精確設(shè)計DNA序列，從而構(gòu)建出具有特定形狀、大小和功能的納米結(jié)構(gòu)。這種可編程性使得DNA納米結(jié)構(gòu)能夠高度特異性地識別各種目標生物分子，極大地提高了生物傳感器的檢測特異性。在設(shè)計用于檢測特定蛋白質(zhì)的DNA納米傳感器時，可以通過精心設(shè)計DNA序列，使其與蛋白質(zhì)表面的特定區(qū)域進行特異性結(jié)合，實現(xiàn)對目標蛋白質(zhì)的精準識別，有效避免與其他無關(guān)蛋白質(zhì)的非特異性結(jié)合，提高檢測的準確性。通過巧妙設(shè)計DNA納米結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象和功能基團的位置，可以實現(xiàn)對生物分子的多重識別和信號放大，進一步提高檢測靈敏度。例如，構(gòu)建一種具有分支結(jié)構(gòu)的DNA納米探針，在其多個分支上分別修飾與目標生物分子不同位點互補的DNA序列，當探針與目標分子結(jié)合時，形成多價態(tài)的結(jié)合模式，增強了結(jié)合的穩(wěn)定性和信號強度，從而實現(xiàn)對低濃度目標生物分子的高靈敏檢測。卓越的生物相容性：DNA作為生物體中天然存在的生物大分子，具有良好的生物相容性，這使得基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中具有獨特的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學(xué)檢測中，需要檢測的生物樣品往往是復(fù)雜的生物體系，如血液、組織液等，傳統(tǒng)的生物傳感器可能會對生物樣品產(chǎn)生干擾，影響檢測結(jié)果的準確性。而基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器可以在不干擾生物樣品原有成分和性質(zhì)的前提下，實現(xiàn)對目標生物分子的檢測。DNA納米結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)不易引起免疫反應(yīng)和細胞毒性，能夠與生物體系和諧共處。這使得它可以直接應(yīng)用于活體檢測，為實時監(jiān)測生物體內(nèi)的生理過程和疾病狀態(tài)提供了可能。在體內(nèi)腫瘤標志物的檢測中，將基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器通過靜脈注射等方式引入體內(nèi)，它能夠在血液循環(huán)中特異性地識別腫瘤標志物，并將檢測信號傳遞出來，為腫瘤的早期診斷和治療效果監(jiān)測提供重要依據(jù)。納米尺度的精確控制：DNA分子的尺寸處于納米量級，這使得DNA納米技術(shù)能夠在納米尺度上實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的精確控制。納米尺度的精確控制賦予了DNA納米結(jié)構(gòu)獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在生物傳感中展現(xiàn)出卓越的性能。由于納米結(jié)構(gòu)的高比表面積，能夠增加與目標生物分子的結(jié)合位點，從而增強檢測信號?；贒NA納米線的生物傳感器，其納米級的直徑可以有效地捕獲和傳輸生物分子的信號，實現(xiàn)對生物分子的超靈敏檢測。在納米尺度下，DNA納米結(jié)構(gòu)與生物分子之間的相互作用更加接近分子水平，能夠更準確地反映生物分子的特性和變化。例如，利用DNA納米結(jié)構(gòu)與生物分子之間的特異性相互作用，通過監(jiān)測DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化、電學(xué)性質(zhì)變化等，可以實現(xiàn)對生物分子的結(jié)構(gòu)和功能的深入研究。納米尺度的精確控制還使得DNA納米結(jié)構(gòu)能夠與其他納米材料進行復(fù)合，構(gòu)建出具有多功能的復(fù)合材料，進一步拓展了生物傳感的應(yīng)用范圍。將DNA納米結(jié)構(gòu)與金屬納米顆粒復(fù)合，利用金屬納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)，增強DNA納米傳感器的光學(xué)信號，提高檢測靈敏度。盡管DNA納米技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，限制了其進一步的廣泛應(yīng)用。制備成本較高：DNA納米結(jié)構(gòu)的制備過程通常較為復(fù)雜，需要使用高精度的儀器設(shè)備和昂貴的化學(xué)試劑。在DNA折紙技術(shù)中，需要精確設(shè)計和合成大量的短鏈DNA，這些短鏈DNA的合成成本較高，且合成過程需要嚴格的質(zhì)量控制，增加了制備成本。DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝過程也需要精細的操作和優(yōu)化的實驗條件，以確保得到高質(zhì)量的產(chǎn)物，這進一步提高了制備成本。較高的制備成本使得基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器難以大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，限制了其在臨床診斷和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的普及。穩(wěn)定性和重復(fù)性有待提高：DNA納米結(jié)構(gòu)在復(fù)雜的生物環(huán)境或外界條件變化時，其結(jié)構(gòu)和性能可能會受到影響，導(dǎo)致穩(wěn)定性和重復(fù)性不佳。在生物樣品中，存在各種酶、蛋白質(zhì)、離子等物質(zhì)，它們可能會與DNA納米結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致DNA納米結(jié)構(gòu)的降解、變性或構(gòu)象變化，從而影響傳感器的性能。DNA納米結(jié)構(gòu)的組裝過程也可能受到實驗條件的微小變化影響，導(dǎo)致每次制備的產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)和性能上存在一定差異，影響了傳感器的重復(fù)性。穩(wěn)定性和重復(fù)性問題嚴重制約了DNA納米技術(shù)在生物傳感中的實際應(yīng)用，需要進一步研究和解決。檢測信號的放大與傳輸：雖然DNA納米技術(shù)在生物傳感中能夠產(chǎn)生特異性的識別信號，但如何有效地放大和傳輸這些信號，以實現(xiàn)高靈敏、快速的檢測，仍然是一個關(guān)鍵問題。在一些基于DNA納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器中，檢測信號較弱，需要進行信號放大處理。目前常用的信號放大方法，如酶催化放大、核酸擴增放大等，雖然在一定程度上提高了檢測靈敏度，但也存在操作復(fù)雜、易受干擾等問題。信號的傳輸也面臨挑戰(zhàn)，如何將生物傳感器產(chǎn)生的信號準確、快速地傳輸?shù)綑z測設(shè)備中，并進行有效的處理和分析，也是需要解決的問題。例如，在基于電化學(xué)傳感的DNA納米生物傳感器中，如何優(yōu)化電極材料和結(jié)構(gòu)，提高信號的傳輸效率和穩(wěn)定性，是提高傳感器性能的關(guān)鍵。與復(fù)雜生物樣品的兼容性：在實際應(yīng)用中，生物傳感器往往需要檢測復(fù)雜的生物樣品，如血液、尿液、組織勻漿等。這些樣品中含有大量的蛋白質(zhì)、細胞碎片、代謝產(chǎn)物等成分，可能會對DNA納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非特異性吸附、干擾檢測信號等問題，影響傳感器的準確性和可靠性。如何提高DNA納米技術(shù)與復(fù)雜生物樣品的兼容性，減少非特異性干擾，是實現(xiàn)其在生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的重要前提。需要進一步研究開發(fā)有效的樣品預(yù)處理方法和表面修飾技術(shù)，以提高DNA納米結(jié)構(gòu)在復(fù)雜生物樣品中的穩(wěn)定性和檢測性能。四、DNA納米技術(shù)在智能水凝膠中的應(yīng)用4.1智能水凝膠的特性與分類智能水凝膠作為一類特殊的高分子材料，具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。這類水凝膠能夠?qū)Νh(huán)境中的微小變化或刺激產(chǎn)生顯著的響應(yīng)，如溫度、pH值、電場、磁場、光、特定生物分子等。這種刺激響應(yīng)性是智能水凝膠的核心特性，使其區(qū)別于傳統(tǒng)水凝膠。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，溫敏型智能水凝膠的分子鏈構(gòu)象會發(fā)生改變，導(dǎo)致水凝膠的溶脹或收縮。這種體積變化可以通過物理或化學(xué)方式進行精確控制，從而實現(xiàn)對水凝膠性能的調(diào)控。在藥物釋放領(lǐng)域，溫敏型智能水凝膠可以根據(jù)體溫的變化，精確控制藥物的釋放速度和釋放量，提高藥物的治療效果。智能水凝膠還具有自愈性，這一特性使其在受到損傷時能夠自動修復(fù)，恢復(fù)原有的結(jié)構(gòu)和功能。自愈性源于水凝膠內(nèi)部存在的動態(tài)化學(xué)鍵或超分子相互作用，如氫鍵、離子鍵、π-π堆積等。當水凝膠受到外力破壞時，這些動態(tài)相互作用能夠重新組合，使水凝膠恢復(fù)其原有的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，具有自愈性的智能水凝膠可以作為組織工程支架，在體內(nèi)環(huán)境中保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和功能，促進組織的修復(fù)和再生。根據(jù)不同的響應(yīng)機制，智能水凝膠可分為多種類型。溫敏型水凝膠具有臨界相轉(zhuǎn)變溫度（LCST），當環(huán)境溫度低于LCST時，水凝膠處于溶脹狀態(tài)；當溫度高于LCST時，水凝膠發(fā)生收縮。這種特性使其在藥物控釋、細胞培養(yǎng)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在藥物控釋方面，將藥物包裹在溫敏型水凝膠中，當水凝膠所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時，水凝膠的溶脹或收縮會導(dǎo)致藥物釋放速度的改變，從而實現(xiàn)藥物的可控釋放。pH敏感型水凝膠的溶脹或消溶脹行為隨環(huán)境pH值的變化而發(fā)生改變。這類水凝膠通常含有酸性或堿性基團，當環(huán)境pH值改變時，這些基團會發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化反應(yīng)，導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)的電荷密度和滲透壓發(fā)生變化，進而引起水凝膠的體積變化。在藥物靶向釋放中，利用腫瘤組織或炎癥部位的pH值與正常組織的差異，設(shè)計pH敏感型智能水凝膠作為藥物載體，使藥物能夠在特定的pH環(huán)境下釋放，實現(xiàn)藥物的靶向輸送。電敏感型水凝膠在電場作用下會發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變，這是由于聚合物網(wǎng)絡(luò)中帶電部位在電場作用下受到壓力，導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種特性使其可應(yīng)用于傳感器和人造肌肉材料等領(lǐng)域。在傳感器應(yīng)用中，電敏感型水凝膠可以將電場信號轉(zhuǎn)化為體積變化信號，通過檢測水凝膠的體積變化來感知電場的變化。光敏感型水凝膠在光刺激下，其分子鏈構(gòu)型會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致體積溶脹變化。光敏性部分經(jīng)光照射后轉(zhuǎn)變成異構(gòu)體，引起水凝膠的物理性質(zhì)改變。光敏感型水凝膠可用于藥物的控制釋放，通過光照射來精確控制藥物的釋放時間和釋放量。磁性響應(yīng)型水凝膠能夠?qū)ν饧哟艌鲎龀鲰憫?yīng)，其溶脹行為會隨磁場強度和方向的變化而改變。這種特性使其在細胞分離、固定化酶、靶向藥物等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。在靶向藥物輸送中，將磁性響應(yīng)型水凝膠與藥物結(jié)合，通過外加磁場引導(dǎo)水凝膠攜帶藥物到達特定的組織或器官，實現(xiàn)藥物的精準輸送。生物分子響應(yīng)型水凝膠能對特定的生物分子，如葡萄糖、酶和DNA分子等，產(chǎn)生特異性響應(yīng)。葡萄糖敏感水凝膠可用于自動調(diào)控胰島素釋放系統(tǒng)，根據(jù)血糖濃度的變化，水凝膠能夠自動調(diào)節(jié)胰島素的釋放量，維持血糖水平的穩(wěn)定。酶和DNA敏感水凝膠可以設(shè)計成分子識別系統(tǒng)，在生物體內(nèi)專一性地識別特定的酶和DNA分子，用于生物檢測和診斷。從組成成分的角度，智能水凝膠又可分為天然智能水凝膠和合成智能水凝膠。天然智能水凝膠通常由天然高分子材料，如多糖、蛋白質(zhì)等，通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成。這些天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。海藻酸鈉水凝膠是一種常見的天然智能水凝膠，它可以與鈣離子等多價陽離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有一定強度和穩(wěn)定性的水凝膠。海藻酸鈉水凝膠對pH值和離子強度等環(huán)境因素具有響應(yīng)性，可用于藥物釋放和組織工程等領(lǐng)域。合成智能水凝膠則是由人工合成的高分子材料制備而成，通過在高分子鏈上引入特定的功能基團，賦予水凝膠對不同刺激的響應(yīng)性。聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）水凝膠是一種典型的合成溫敏型智能水凝膠，其LCST約為32℃，接近人體體溫。在低于LCST時，PNIPAm水凝膠分子鏈上的異丙基與水分子之間形成氫鍵，水凝膠處于溶脹狀態(tài)；當溫度高于LCST時，氫鍵斷裂，分子鏈收縮，水凝膠發(fā)生去溶脹。這種溫敏特性使PNIPAm水凝膠在藥物控釋、細胞培養(yǎng)和生物傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。4.2DNA納米技術(shù)在智能水凝膠中的應(yīng)用案例4.2.1DNA編碼粘彈性動態(tài)基質(zhì)（DyNAtrix）用于細胞和類器官培養(yǎng)細胞外間質(zhì)細胞的微環(huán)境是決定細胞命運的關(guān)鍵因素之一，基質(zhì)硬度通過機械敏感的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子影響3D類器官培養(yǎng)物中的細胞增殖和形態(tài)，矩陣粘彈性涉及其他關(guān)鍵參數(shù)，如應(yīng)力松弛，它描述了變形后機械應(yīng)力隨時間的變化，更快的應(yīng)力松弛可以促進細胞擴散、遷移和分化。然而，用于細胞培養(yǎng)的最廣泛使用的水凝膠是動物來源的基質(zhì)膜基質(zhì)，例如Matrigel，它們的可調(diào)性很差，表現(xiàn)出大量的批次間差異，并可能引起意想不到的細胞刺激。提供粘彈性可調(diào)性的更先進的材料需要對系統(tǒng)的組分進行相當大的修改，其對細胞的影響很難從機械效應(yīng)中解脫出來。基于此，德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所E.Krieg教授團隊報道了基于DNA文庫的全合成水凝膠，這些DNA文庫與超高分子量聚合物自組裝，形成動態(tài)的DNA交聯(lián)基質(zhì)（DyNAtrix），相關(guān)研究成果發(fā)表于《Naturenanotechnology》。DyNAtrix使計算可預(yù)測以及通過改變DNA序列信息對其粘彈性、熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進行系統(tǒng)控制，可調(diào)節(jié)的熱激活使哺乳動物細胞均質(zhì)包埋。有趣的是，應(yīng)力松弛時間可以調(diào)節(jié)到4個數(shù)量級，重現(xiàn)了活體組織的力學(xué)特性。DyNAtrix具有自修復(fù)、可打印、高穩(wěn)定性、細胞相容性和血液相容性以及可控降解等優(yōu)點?；赿ynatrix培養(yǎng)的人間充質(zhì)基質(zhì)細胞、多能干細胞、犬腎囊腫和人滋養(yǎng)層類器官顯示出較高的活力、增殖和形態(tài)發(fā)生。在材料設(shè)計方面，研究團隊首先合成了3個衍生物，P1、P5和P10，平均每個骨架上分別有3、20和28條共價連接的DNA鏈。這些DNA鏈作為基于DNA的交聯(lián)劑模塊的非共價連接的通用錨定位點，因此，單個聚合物批次可用于組裝具有極大不同性質(zhì)的材料。在細胞培養(yǎng)研究中，含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）基序的合成肽被連接到骨架上，以促進細胞黏附和機械信號傳導(dǎo)。經(jīng)RGD接枝的衍生物5和10與無肽的衍生物具有相似的分子量。通過統(tǒng)計模擬說明了CCL復(fù)雜性和每個聚合物的錨鏈數(shù)量對交聯(lián)效率的影響。為了抑制80%的分子內(nèi)交聯(lián)，預(yù)測P1、P5和P10分別需要4、40和60對夾板。研究團隊用包含1、4、16、64或256對夾板（CCL-1到CCL-256）的CCL文庫對P5進行補充。實驗結(jié)果表明，在較寬的頻率和應(yīng)變范圍內(nèi)，彈性模量（G’）大大超過了損耗模量（G″），證實了雙板CCL與UHMW聚合物結(jié)合后產(chǎn)生穩(wěn)定的凝膠。CCL復(fù)雜性的增加逐漸提高了交聯(lián)效率，從28%（CCL-1）提高到76%（CCL-64），CCL-64庫尺寸沒有進一步增加，這與預(yù)測結(jié)果很一致。正如預(yù)期的那樣，DyNAtrix經(jīng)歷了熱可逆的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變。其熔點隨著CCL復(fù)雜度的增加而降低，從65℃（CCL-1）降低到53℃（CCL-256），因為每個不同夾板對的濃度隨著庫復(fù)雜度的增加而降低。觀察到的基質(zhì)熔化的變化與最鄰近的重疊序列的熱力學(xué)預(yù)測非常一致。在細胞培養(yǎng)應(yīng)用中，研究團隊探討了DyNAtrix中來自hTSC的滋養(yǎng)層類器官的發(fā)育。選擇這種特殊的類器官，因為可調(diào)節(jié)的粘彈性和生物化學(xué)線索可以解決目前圍繞類器官極性的挑戰(zhàn)，以更忠實地再現(xiàn)體內(nèi)形態(tài)。為了證明持續(xù)增殖，采用了最近報道的長期滋養(yǎng)層類器官培養(yǎng)方案。實驗結(jié)果表明，基于DyNAtrix培養(yǎng)的滋養(yǎng)層類器官顯示出較高的活力、增殖和形態(tài)發(fā)生，能夠在該基質(zhì)中良好地生長和發(fā)育。該研究結(jié)果說明了DNA納米技術(shù)在軟材料工程中對可編程、自適應(yīng)、自修復(fù)和可打印的3D細胞培養(yǎng)基質(zhì)的重要作用。DyNAtrix的關(guān)鍵特征是其在合理材料設(shè)計方面的潛力，允許研究人員將可預(yù)測的分子特性轉(zhuǎn)化為宏觀材料特性。CCL的復(fù)雜性決定了網(wǎng)絡(luò)的形成，提出了在不改變聚合物或交聯(lián)劑濃度的情況下優(yōu)化基質(zhì)彈性的根本新方法。SRC編碼（納米）機械穩(wěn)定性，允許通過僅改變交聯(lián)劑序列上的幾個堿基來系統(tǒng)地調(diào)整應(yīng)力松弛。HACs顯示可定制的結(jié)合動力學(xué)，這對于均勻的細胞封裝和與現(xiàn)有細胞培養(yǎng)工作流的無縫集成至關(guān)重要。這種高水平的控制有助于模擬復(fù)雜生物物質(zhì)的許多特性，但在完全合成和成分定義的材料中，提高可重復(fù)性，并減少再生醫(yī)學(xué)中的監(jiān)管障礙。4.2.2DNA功能化的蜘蛛絲納米水凝膠用于特定細胞附著和圖案化細胞在材料表面的精確固定和圖案化對于組織工程、細胞生物學(xué)研究等領(lǐng)域具有重要意義，然而傳統(tǒng)材料在實現(xiàn)細胞的高度特異性固定和精確圖案化方面存在一定的局限性。德國拜羅伊特大學(xué)MartinHumenik教授團隊利用疊氮基修飾的蜘蛛絲蛋白和DNA的特異性雜交，制備出具有固定在相同蛋白質(zhì)涂層上的水凝膠樣特性的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了細胞在納米水凝膠上的精確固定和圖案化，相關(guān)研究成果發(fā)表于《ACSNano》。在制備過程中，團隊通過有核蛋白自組裝的方式，利用疊氮基修飾的蜘蛛絲蛋白成功制備出納米纖維網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)在溫和的水環(huán)境中形成，其厚度在2到60nm之間，且僅由蛋白質(zhì)濃度控制。蛋白質(zhì)中摻入的疊氮基被用于將短核酸序列“點擊”到納米原纖維上，這一過程可以通過熒光標記的DNA互補物進行特定的基于雜交的修飾，從而驗證了修飾的可行性。為了實現(xiàn)細胞在納米水凝膠上的固定，團隊使用脂質(zhì)修飾劑將DNA有效地摻入非貼壁Jurkat細胞的膜中?；诤怂岬幕パa性，高度特異性的DNA輔助將細胞固定在具有可調(diào)細胞密度的納米水凝膠上成為可能。通過調(diào)整DNA序列和濃度，可以精確控制細胞在納米水凝膠上的附著數(shù)量和分布密度。使用競爭性寡核苷酸探針證明了DNA細胞到表面錨的可尋址性，當加入競爭性寡核苷酸探針時，探針與固定細胞的DNA序列競爭結(jié)合，導(dǎo)致75-95%的細胞快速釋放，這表明可以通過外部因素對細胞在納米水凝膠上的固定狀態(tài)進行調(diào)控。為了實現(xiàn)細胞的圖案化固定，團隊開發(fā)了一種基于光刻的任意形狀微孔的圖案化技術(shù)，用于在空間上定義納米水凝膠的形成。首先，通過光刻技術(shù)在基底上形成具有特定圖案的微孔陣列。然后，在微孔中進行納米水凝膠的制備，使得納米水凝膠僅在微孔區(qū)域形成。在分離表面的光刻膠和PEG阻斷后，利用DNA輔助將Jurkat細胞固定在納米水凝膠微結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)了高保真度的細胞圖案化。通過這種方法，可以精確地控制細胞在特定區(qū)域的附著，形成各種預(yù)定的圖案，為細胞生物學(xué)研究和組織工程提供了有力的工具。DNA功能化的蜘蛛絲納米水凝膠在細胞附著和圖案化方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其高度特異性的DNA輔助細胞固定方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對細胞密度和位置的精確控制，為細胞生物學(xué)研究提供了一種精準的實驗平臺?；诠饪痰膱D案化技術(shù)，使得細胞能夠按照預(yù)定的圖案進行固定，為組織工程中構(gòu)建具有特定結(jié)構(gòu)和功能的組織模型提供了新的思路和方法。這種納米水凝膠還具有良好的生物相容性，能夠為細胞提供一個適宜的生長微環(huán)境，有利于細胞的正常生長和功能發(fā)揮。該研究成果為細胞工程和組織工程領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的材料和技術(shù)手段，有望推動相關(guān)領(lǐng)域的進一步發(fā)展。4.2.3基于智能DNA水凝膠刺激響應(yīng)的離子通道離子分布調(diào)控在生物轉(zhuǎn)變中是十分必要的，例如維持細胞的離子平衡，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及能量采集。納米通道門控機制可以通過各種觸發(fā)物質(zhì)來實現(xiàn)離子分布的調(diào)控，如PH、電壓、溫度以及光等的刺激都能實現(xiàn)控制離子或分子在人工離子通道中的傳輸及分布。近年來DNA納米技術(shù)發(fā)展迅速，特別是核酸在外界刺激下的可逆轉(zhuǎn)變響應(yīng)及其豐富的刺激源，使DNA納米技術(shù)十分適用于離子通道門控機制的實現(xiàn)。然而，目前的DNA門控納米通道由于在單層離子通道結(jié)構(gòu)中的DNA矩陣數(shù)量較少以及離子通道的維度小受到傳輸選擇性（整流比）和效率（離子電流）的限制。此外，在現(xiàn)有的DNA納米通道中，陰陽離子傳輸?shù)姆较虿⒉荒艿玫娇刂?。因此，為了提高DNA納米通道中離子傳輸能力，可重構(gòu)的DNA結(jié)構(gòu)設(shè)計是必要的。基于此，中科院理化所&化學(xué)所江雷院士團隊及TianYe，I.Willner（共同通訊作者）首次開發(fā)了基于智能DNA水凝膠刺激響應(yīng)的離子通道，相關(guān)研究成果發(fā)表于《AngewandteChemie-InternationalEdition》。不同于其他單層納米通道中的響應(yīng)分子，DNA水凝膠具有空間負電荷的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種三維結(jié)構(gòu)中離子電流和整流比都得到了顯著地提高。在K?和冠醚的循環(huán)處理下，DNA水凝膠的狀態(tài)可以實現(xiàn)柔性和堅硬之間可逆轉(zhuǎn)變，為納米通道提供了門控機制?；贒NA水凝膠的結(jié)構(gòu)和PH刺激，對陽離子或者陰離子傳輸方向可以得到精確地控制，并且多門控效果得以實現(xiàn)。與此同時，水凝膠中的G-4DNA（G-quadruplex四聯(lián)體，是一種由富含鳥嘌呤的核酸序列所構(gòu)成的四股型態(tài)）可以替換為其他刺激響應(yīng)的DNA分子，蛋白，多肽等。在離子通道的制備過程中，首先將金濺射到圓錐納米通道的尖端，形成PET/Au。然后，DNA水凝膠通過雜交鏈式反應(yīng)組裝在金覆蓋的尖端，形成PET/Au/DNAHydrogel，這種狀態(tài)為“開”。當K?存在時，水凝膠中的DNA轉(zhuǎn)變?yōu)樗木垠w結(jié)構(gòu)，形成堅硬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（PET/Au/K?-StabilizedDNAhydrogel），這種狀態(tài)被為“關(guān)”。當冠醚存在時，它作為鉀離子的螯合劑，導(dǎo)致G4-DNA結(jié)構(gòu)解離，使其回到原始狀態(tài)。通過對納米通道的離子傳輸性能測試發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PET/Au納米通道相比，PET/Au/DNAHydrogel納米通道的離子電流和整流比都得到了顯著提高。在10MmTris-HCl緩沖液（PH=7）的0.1MLiCl電解質(zhì)中測試I-V曲線和整流比，結(jié)果顯示PET/Au/DNAHydrogel納米通道在-2V電壓下的離子電流和整流比明顯高于PET/Au納米通道。這是因為PET/Au/DNAHydrogel的負電荷在整個尖端都有分布（空間電荷1），空間電荷可以增加納米通道中對應(yīng)的陽離子濃度和陽/陰離子比例，從而改善納米通道中離子電流和整流比。而對于PET/Au/K?-StabilizedDNAHydrogel納米通道，由于部分負電荷的中和，分布在尖端的負電荷減少（空間電荷2），離子電流和整流比相應(yīng)下降。DNA水凝膠離子通道還表現(xiàn)出良好的可逆性和選擇性。在1MKCl和20mM冠醚循環(huán)處理下（至少循環(huán)四次），納米通道的整流比實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變（17.16±0.07到52.75±0.16），并且沒有遲滯。PH對納米通道的離子傳輸性能也具有可調(diào)節(jié)性。在PH7/7環(huán)境下，離子電流主要來源于陽離子傳導(dǎo)；在PH3/7環(huán)境下，由于納米通道尖端帶正電荷，離子流的方向轉(zhuǎn)變，離子電流主要來源與陰離子傳導(dǎo)。這樣納米通道實現(xiàn)有選擇的離子門控。研究團隊還制備了“Cigar”形狀雙門控離子通道，通過對其在不同條件下的離子傳輸性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，左右對稱修飾DNA水凝膠納米通道和非對稱修飾DNA水凝膠的納米通道在不同PH值下，對陽離子和陰離子的傳輸具有選擇性和可逆性。例如，在PH=7時，非對稱修飾DNA水凝膠的納米通道（關(guān)/開狀態(tài)或開/關(guān)狀態(tài)）僅有陽離子可以通過并且傳輸方向可逆；在PH=3時，僅允許陰離子通過并且傳輸方向可以轉(zhuǎn)變。該工作通過智能水凝膠為提高多功能納米通道提供了新的思路方法。DNA水凝膠獨特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和刺激響應(yīng)特性，有效地提高了離子通道的傳輸性能和選擇性，為離子通道的設(shè)計和應(yīng)用開辟了新的方向。這種基于智能DNA水凝膠的離子通道在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，例如可用于生物傳感器的開發(fā)，實現(xiàn)對生物分子和離子的高靈敏檢測；在藥物輸送系統(tǒng)中，可通過控制離子通道的開關(guān)，實現(xiàn)藥物的精準釋放。水凝膠中的G-4DNA可以替換為其他刺激響應(yīng)的分子，為進一步拓展離子通道的功能和應(yīng)用范圍提供了可能。4.3DNA納米技術(shù)用于智能水凝膠的優(yōu)勢與面臨的挑戰(zhàn)將DNA納米技術(shù)應(yīng)用于智能水凝膠，展現(xiàn)出諸多傳統(tǒng)方法難以比擬的優(yōu)勢，為智能水凝膠的發(fā)展注入了新的活力。精確的可編程性：DNA納米技術(shù)基于嚴格的堿基互補配對原則，賦予了智能水凝膠高度的可編程性。研究人員能夠像編寫代碼一樣，精確設(shè)計DNA序列，從而對水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能進行精準調(diào)控。在構(gòu)建DNA水凝膠時，可以通過精心設(shè)計DNA序列，精確控制水凝膠的交聯(lián)程度、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔隙大小。通過調(diào)整DNA鏈的長度和堿基組成，可以改變水凝膠的力學(xué)性能，使其具有不同的彈性和韌性。通過設(shè)計特定的DNA序列，引入具有特定功能的基團，如響應(yīng)特定生物分子的核酸適配體序列，能夠使水凝膠對特定的生物分子產(chǎn)生特異性響應(yīng)。當目標生物分子存在時，與水凝膠中的核酸適配體特異性結(jié)合，引發(fā)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，實現(xiàn)對生物分子的檢測和響應(yīng)。這種精確的可編程性使得智能水凝膠能夠滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用需求，為其在生物醫(yī)學(xué)、生物傳感、藥物釋放等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的空間。優(yōu)異的生物相容性：DNA作為生物體中天然存在的生物大分子，具有良好的生物相容性，這使得基于DNA納米技術(shù)的智能水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，水凝膠需要與生物組織和細胞密切接觸，良好的生物相容性是其應(yīng)用的關(guān)鍵前提。基于DNA納米技術(shù)的智能水凝膠在生物體內(nèi)不易引起免疫反應(yīng)和細胞毒性，能夠與生物體系和諧共處。在藥物遞送系統(tǒng)中，DNA水凝膠可以作為藥物載體，將藥物包裹其中，安全地輸送到體內(nèi)的特定部位。由于其生物相容性好，能夠減少藥物對正常組織和細胞的損害，提高藥物的治療效果。在組織工程領(lǐng)域，DNA水凝膠可以作為細胞培養(yǎng)支架，為細胞提供一個類似于天然細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細胞的粘附、增殖和分化。DNA水凝膠的生物相容性有助于減少炎癥反應(yīng)和免疫排斥，促進組織的修復(fù)和再生。高度的可設(shè)計性：DNA納米技術(shù)使得智能水凝膠的設(shè)計更加靈活多樣，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，設(shè)計出具有特定功能和性能的水凝膠。通過合理設(shè)計DNA序列，可以引入各種功能性基團和結(jié)構(gòu)，賦予水凝膠獨特的性能。在水凝膠中引入溫度敏感的DNA序列，使其成為溫敏型智能水凝膠，能夠根據(jù)溫度的變化發(fā)生溶脹或收縮，實現(xiàn)對溫度的響應(yīng)。通過引入光敏感的DNA序列，設(shè)計出光響應(yīng)型智能水凝膠，在光照條件下，水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能會發(fā)生改變，可應(yīng)用于光控藥物釋放、光驅(qū)動的生物傳感器等領(lǐng)域。還可以通過設(shè)計DNA序列，使水凝膠具有多重響應(yīng)特性，同時對多種刺激因素產(chǎn)生響應(yīng)。將溫度敏感和pH敏感的DNA序列同時引入水凝膠中，使其成為溫度和pH雙重響應(yīng)的智能水凝膠，能夠在不同的生理環(huán)境下發(fā)揮作用。這種高度的可設(shè)計性使得智能水凝膠能夠不斷拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，滿足不同領(lǐng)域的多樣化需求。盡管DNA納米技術(shù)在智能水凝膠領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，限制了其進一步的廣泛應(yīng)用。DNA成本較高：DNA的合成和修飾過程通常較為復(fù)雜，需要使用高精度的儀器設(shè)備和昂貴的化學(xué)試劑，導(dǎo)致DNA的成本相對較高。在制備基于DNA納米技術(shù)的智能水凝膠時，需要大量的DNA作為構(gòu)建材料，這使得水凝膠的制備成本大幅增加。較高的成本限制了智能水凝膠的大規(guī)模制備和應(yīng)用，特別是在一些對成本較為敏感的領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)等。降低DNA的合成成本，開發(fā)高效、低成本的DNA制備技術(shù)，是推動DNA納米技術(shù)在智能水凝膠領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之一。水凝膠力學(xué)性能有限：雖然DNA水凝膠具有一定的力學(xué)性能，但與傳統(tǒng)的聚合物水凝膠相比，其力學(xué)強度和韌性仍相對較低。在一些實際應(yīng)用中，如組織工程中的承重組織修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的構(gòu)建等，需要水凝膠具有較高的力學(xué)性能，以滿足實際使用的要求。DNA水凝膠的力學(xué)性能不足，限制了其在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。如何提高DNA水凝膠的力學(xué)性能，使其能夠滿足更多實際應(yīng)用的需求，是目前研究的重點和難點之一。研究人員正在探索通過引入其他材料進行復(fù)合、優(yōu)化DNA水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方法，來提高其力學(xué)性能。生物安全性評估不完善：盡管DNA本身具有良好的生物相容性，但基于DNA納米技術(shù)的智能水凝膠在生物體內(nèi)的長期安全性和潛在風(fēng)險仍有待深入研究。在水凝膠的制備過程中，可能會引入一些雜質(zhì)或化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)在生物體內(nèi)的代謝和影響尚不清楚。DNA水凝膠在生物體內(nèi)的降解產(chǎn)物和降解過程也需要進一步研究，以確保其不會對生物體產(chǎn)生不良影響。目前，對于DNA納米技術(shù)在智能水凝膠中的生物安全性評估體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標準和方法。建立完善的生物安全性評估體系，深入研究DNA水凝膠在生物體內(nèi)的安全性和潛在風(fēng)險，是實現(xiàn)其臨床應(yīng)用和商業(yè)化的重要前提。制備工藝復(fù)雜：DNA納米技術(shù)制備智能水凝膠的過程通常較為復(fù)雜，需要精確控制反應(yīng)條件和操作步驟。DNA的合成、修飾和組裝過程都需要嚴格的質(zhì)量控制，以確保得到高質(zhì)量的產(chǎn)物。水凝膠的交聯(lián)和成型過程也需要精細的調(diào)控，以獲得理想的結(jié)構(gòu)和性能。復(fù)雜的制備工藝不僅增加了制備成本和時間，還對制備人員的技術(shù)水平和操作經(jīng)驗要求較高。這限制了DNA納米技術(shù)在智能水凝膠領(lǐng)域的普及和推廣。開發(fā)簡單、高效、可重復(fù)性好的制備工藝，是促進DNA納米技術(shù)在智能水凝膠領(lǐng)域發(fā)展的重要方向之一。五、DNA納米技術(shù)在生物傳感與智能水凝膠應(yīng)用中的對比與展望5.1應(yīng)用原理與機制的對比分析DNA納米技術(shù)在生物傳感和智能水凝膠領(lǐng)域的應(yīng)用，均建立在對DNA分子獨特性質(zhì)的巧妙利用之上，然而其具體的應(yīng)用原理與機制卻各具特色，存在著顯著的異同點。從相同點來看，兩者都高度依賴DNA的可編程性和特異性識別能力。DNA的堿基互補配對原則為納米結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建提供了可靠的分子識別機制，這是DNA納米技術(shù)在兩個領(lǐng)域應(yīng)用的核心基礎(chǔ)。在生物傳感中，通過設(shè)計特定的DNA序列，使其能夠與目標生物分子進行特異性結(jié)合，從而實現(xiàn)對目標物的識別和檢測。在檢測特定的蛋白質(zhì)時，設(shè)計與之互補的核酸適配體序列，并將其整合到DNA納米結(jié)構(gòu)中，當?shù)鞍踪|(zhì)與核酸適配體特異性結(jié)合時，會引起DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，進而導(dǎo)致熒光信號、電化學(xué)信號等檢測信號的改變，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的檢測。在智能水凝膠領(lǐng)域，同樣利用DNA的堿基互補配對原則來構(gòu)建水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過精心設(shè)計DNA序列，使不同的DNA鏈之間按照預(yù)定的方式相互識別和結(jié)合，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在制備DNA水凝膠時，將具有互補序列的DNA鏈混合，它們會通過堿基互補配對相互交聯(lián)，形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)。DNA的生物相容性也是兩者的共同優(yōu)勢。DNA作為生物體中天然存在的生物大分子，在生物體內(nèi)不易引起免疫反應(yīng)和細胞毒性，能夠與生物體系和諧共處。在生物傳感中，基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器可以直接應(yīng)用于生物樣品的檢測，不會對生物樣品的成分和性質(zhì)產(chǎn)生干擾，保證了檢測結(jié)果的準確性和可靠性。在智能水凝膠領(lǐng)域，DNA水凝膠的生物相容性使其成為細胞培養(yǎng)和組織工程的理想材料，能夠為細胞提供一個類似于天然細胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細胞的正常生長和功能發(fā)揮。然而，DNA納米技術(shù)在生物傳感和智能水凝膠應(yīng)用中的原理與機制也存在諸多不同之處。在生物傳感領(lǐng)域，其核心原理是將DNA納米結(jié)構(gòu)作為生物識別元件或信號傳導(dǎo)介質(zhì)，通過與目標生物分子的特異性相互作用，將生物識別事件轉(zhuǎn)化為可檢測的物理或化學(xué)信號?；贒NA納米結(jié)構(gòu)的SERS生物傳感用于疾病標志物檢測，利用DNA納米結(jié)構(gòu)精確組裝等離子體納米探針，通過目標分子與納米結(jié)構(gòu)的特異性識別，激活納米結(jié)構(gòu)的運動和組裝，形成高密度的SERS熱點區(qū)域，從而實現(xiàn)對疾病標志物的高靈敏檢測。DNAzyme功能化DNA納米結(jié)構(gòu)用于金屬離子檢測，利用DNAzyme對特定金屬離子的特異性識別和催化活性，當金屬離子存在時，DNAzyme發(fā)生構(gòu)象變化，催化底物反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測的信號變化，實現(xiàn)對金屬離子的檢測。而在智能水凝膠領(lǐng)域，主要原理是利用DNA水凝膠對環(huán)境刺激的響應(yīng)性，通過環(huán)境因素的變化引發(fā)水凝膠的物理或化學(xué)性質(zhì)改變，如溶脹、收縮、降解等，從而實現(xiàn)特定的功能。DNA編碼粘彈性動態(tài)基質(zhì)（DyNAtrix）用于細胞和類器官培養(yǎng)，通過改變DNA序列信息對其粘彈性、熱力學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進行系統(tǒng)控制，實現(xiàn)對細胞培養(yǎng)微環(huán)境的精確調(diào)控。DNA功