【摘要】

在合成聚合物水凝膠中使用 DNA 作為構建塊保證了在溶膠/凝膠溫度、可調鍵壽命、生物相容性以及與生物成分（例如酶、細胞和生長因子）的相互作用方面的高度可編程性。然而，大規模材料的可擴展性和定量結構-性能關系仍然難以實現。

基于 美因茨大學 Andreas Walther 教授 團隊 最近推出的可擴展的一鍋液相寡核苷酸合成到星形聚（乙二醇）（PEG）上的 DNA， 團隊最近又 報告了基于 starPEG-DNA 偶聯物的水凝膠以及可調雙鏈雜交長度的二價 DNA 接頭.通過系統地改變雙鏈熔融溫度、鹽度和構建塊濃度等參數， 團隊 建立了這種水凝膠的機械相空間。

闡明了從幾 Pa 到 kPa 范圍的可調機械性能，并討論了自愈和鍵交換的時間尺度，以及可調溶膠/凝膠轉變溫度。這些全面的研究揭示了基于可擴展構建塊的 DNA 水凝膠材料的未來設計原則，由于其星形和靈活的構建塊拓撲結構，允許形成準理想網絡。此類材料可用于生物醫學和細胞培養領域。 相關論文以題為 Tunable and Large-Scale Model Network StarPEG-DNA Hydrogels 發表在《 Macromolecules 》上。

【主圖導讀】

示意圖 1. starPEG-DNA 水凝膠形成的示意圖。 如之前報道的，第一個構建塊 starPEG-T20 是在 OP-LPOS 中合成的。然后通過自動固相寡核苷酸合成合成第二個接頭結構單元。starPEG-DNA 水凝膠的形成是由兩個構建塊中 T20 和 A20 突出端的雙鏈雜交觸發的。

圖 1. 自互補 DNA 接頭的設計和分析。 (a) 具有 5-20 個 oligo-A 延伸的自互補 DNA 接頭的示意圖。(b) oligo-T ₂₀ /A ₂₀ 和回文 DNA 接頭鏈 L/L* 在 150 mM NaCl+可變 MgCl ₂ 鹽濃度下的熔解曲線，使用 Nupack 軟件包模擬。(c) 兩側具有 50 bp 和 1 kbp DNA 階梯的純化 DNA 接頭的 AGE。加載的 2 wt% 瓊脂糖凝膠用 Roti-Gelstain 染色并在 80 V 下分離 75 分鐘。(d) 脫保護 和制備型 HPLC 純化后純化的 DNA 接頭鏈的分析 HPLC 色譜圖。

圖 2. 在 c* ≈ 0.75 mM 時，鹽度對 starPEG-T ₂₀ /A ₂₀ -L/L*-A ₂₀ 水凝膠流變學特性的影響。Mg ²⁺ 濃度從0到 50 mM 不等，而 Na ⁺ 濃度保持恒定在 150 mM。 (a) starPEG-T ₂₀ 和 A20-L/L*-A ₂₀ 形成水凝膠的示意圖。(b) 0 和 50 mM MgCl ₂ 水凝膠的溫度掃描（f = 1 Hz，γ = 6%，從 50 到 5 °C，溫度速率 = 0.4 °C/min）。溶膠到凝膠的交叉溫度 Tco 在圖中用箭頭表示。(c) 不 同 MgCl ₂ 濃度下水凝膠的溫度掃描。(d) 0 和 50 mM MgCl2 水凝膠的頻率掃描 (f = 0.001–100 Hz, γ = 0.1%, 10 °C)。雖然含有 0 mM MgCl ₂ 的水凝膠的鍵弛豫時間τ由圖中的箭頭表示（灰色曲線），但含有 50 mM MgCl ₂ 的水凝膠在測量的頻率范圍內不會弛豫（藍色曲線）。(e)柱狀圖顯示了不同 MgCl ₂ 濃度下水凝膠在 10°C、G10°C' 和 Tco 下儲能模量的演變。

圖 3. DNA 接頭強度和積木濃度對水凝膠機械性能的影響。 starPEG-T20/A20-L/L*-A ₂₀ 和 starPEG-T ₂₀ /A ₁₀ -L/L*-A ₁₀ 水凝膠是在不同的 starPEG-T ₂₀ 濃度、高于、低于和 c*（0 mM MgCl ₂ 和 150 mM 氯化鈉）。(a,b) 使用 starPEG-T ₂₀ 和 (a) A ₂₀ -L/L*-A20 和 (b) A ₁₀ -L/L*-A ₁₀ 接頭形成水凝膠的示意圖概述。(c, d) 在 1.5、0.75 和 0.38 mM starPEG-T ₂₀ 濃度下的溫度掃描（f = 1 Hz，γ = 6%，從 50 到 5 °C，溫度速率 = 0.4 °C/min）。(e) 不同 starPEG-T ₂₀ 濃度下 G10°C' 和 Tco 的相關性。(f,g) 在 1.5、0.75 和 0.38 mM starPEG-T ₂₀ 濃度下的頻率掃描（f = 0.001–100 Hz、γ = 0.1% 和 20 °C）。（h）不同starPEG-T ₂₀ 濃度下的鍵弛豫時間τ。

圖 4. 研究由 starPEG-T ₂₀ /A ₁₀ -L/L*-A ₁₀ 和 starPEG-T ₁₀ /A ₁₀ -L/L*-A ₁₀ 在 c* ≈ 0.75、0 mM MgCl ₂ 形成的水凝膠的機械性能。 (a) 溫度掃描（f = 1 Hz，γ = 6%，0.75 mM ≈ c*，0 mM MgCl ₂ ，40 至 5 °C，溫度速率 = 0.4 °C/min）。(b) 頻率掃描（f = 0.001–100 Hz，γ = 0.1% 和 20 °C）。

圖 5. 自愈特性和凝膠穩定性。 (a) starPEG-T ₂₀ /A ₂₀ -L/L*-A ₂₀ 的振幅掃描（γ = 0.1–1000%，f = 1 Hz 和 25 °C；50 mM MgCl ₂ 和 150 mM NaCl）。(b) A ₂₀ -L/L*-A ₂₀ 水凝膠的流變學特性，在固定頻率下具有 6% 和 500% 的交替應變循環，f = 1 Hz 在 25 °C 下隨時間繪制。水凝膠在幾輪變形后顯示完全恢復。(c) 一種染色的和一種未染色的 A ₂₀ 水凝膠的自我修復的視覺表示。大約 10 分鐘后，兩個水 凝膠片融合成一個無缺陷的單片。 (d,e) starPEG-T ₂₀ /A ₁₀ -L/L*-A ₁₀ 水凝膠耐久性隨時間的分析。(d) 第 1 天和第 85 天的溫度和 (e) 頻率掃描。

圖 6. starPEG-T ₂₀ /A ₂₀ -L/L*-A ₂₀ 水凝膠的 3D 打印。 (a) 顯示生物打印所需的墨盒、噴嘴和活塞的 3D 打印設置。(b) 狗骨和 DNA 雙螺旋結構中水凝膠的 3D 打印。照片顯示了凝膠在室溫 (RT) 下的適印性和自支撐性質。

【總結】

團隊報告了對基于帶有雙鏈接頭的 starPEG-DNA 構建塊的準理想模型網絡水凝膠的表征的首次詳細研究。 材料設計建立在 團隊 最近開發的 OP-LPOS 合成策略的基礎上，該策略為大規模聚合物/DNA 混合材料開辟了道路。可以通過改變接頭長度和改變鹽度和構建塊的濃度來訪問廣泛的屬性空間。凝膠 G' 值可在 20 Pa 至 3.1 kPa 范圍內調節，因此在細胞機械感應發生的范圍內。(60-62) 松弛時間尺度也特別可通過鹽度調節。在二價陽離子 (Mg ²⁺ ) 存在下組裝的所有水凝膠在 10 °C 的測量頻率范圍 (f = 0.001–100 Hz) 中沒有顯示弛豫時間，但在其他條件下沿寬譜發生相應變化。水凝膠的形成是堅固的，這種 starPEG-DNA 水凝膠的機械性能可以承受反復的加熱和冷卻循環，并且在水凝膠組裝幾個月后，諸如 Tco 和 τ 等性能仍能保持。

水凝膠組裝所需的構建塊、通過 OP-LPOS 的 starPEG-T20 和通過自動固相合成的 DNA 接頭的合成的簡便性和可擴展性，應該促進這種水凝膠作為生物材料在各種應用中的應用。因此， 該 工作奠定了基礎，但包括使用適體、酶促反應片段或靶向（例如，使用更復雜的 DNA 接頭的應變硬化水凝膠）的更高水平反應的充分可能性似乎是可行的。

參考文獻 ：

doi.org/10.1021/acs.macromol.1c00600

投稿模板：

《PNAS》西安交通大學盧同慶、哈佛大學鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網狀復合材料  

《Joule》東華大學武培怡：雙網絡水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實現連續熱量收集

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