近日，上海交通大學自動化與感知學院張宏陸副教授團隊與農業與生物學院張歡副教授合作，在《Advanced Science》期刊上發表了題為“Engineering Liquid Hierarchical Materials with DNA-Programmed Spherical Nucleic Acids” (DNA 編程的球形核酸用于工程化構建液態超材料)的最新研究成果。
該工作提出了一種通用、高效的DNA可編程納米結構構建方法，首次實現了通過多價球形核酸(Spherical Nucleic Acids, SNAs)構建液態金屬納米凝聚體，為開發具備響應性、智能化的新型軟物質材料提供了全新思路。這一研究成果對于未來在柔性電子、生物傳感、納米操控和智能診療系統中的應用具有廣泛潛力。
研究背景
在電子信息技術的發展中，從集成電路的三維封裝到柔性可穿戴器件，材料的微納尺度結構設計正變得越來越關鍵。自然界中復雜有序的多尺度結構為工程材料設計提供了啟發，例如細胞膜、蛋白質復合體等均由層級組織構成。然而，傳統研究主要集中在“固態”材料，如晶體、超晶格等結構體，而在“液態”狀態下實現同樣復雜的構建，仍面臨諸多挑戰。
DNA 作為天然的可編程分子，具備高度編程性和空間結構可控性，可被用于構建納米元器件，并被廣泛應用于生物電子、生物計算與信息存儲等領域。然而，將這種編程能力拓展至液態材料體系，并實現精確調控和多功能集成，尚屬首次嘗試。
創新成果
本研究提出了一種通用且高效的SNA組裝方法。該方法可在無需特定序列修飾的情況下，將多種類型和拓撲結構的核酸分子(包括隨機序列 DNA、環狀 DNA、單導 RNA、信使 RNA 等)快速組裝到金納米顆粒表面，形成高密度、穩定的 SNAs(如圖1a所示)。組裝過程基于丁醇誘導的局部脫水與物理濃縮機制，突破了傳統對聚腺苷酸(polyA)或巰基修飾的依賴。在此基礎上，研究團隊進一步探究了 DNA“鍵”的空間分布與機械剛性對 SNA 多級組裝效率的影響，結果表明，結合位點的構型和柔韌性是實現精確可控層級結構的關鍵因素(如圖1b所示)。
圖1 通用的SNA組裝策略及其精準構型調控
通過引入液-液相分離機制，研究人員成功構建了微米尺度的液滴狀金屬凝聚體超材料(如圖2所示)。這些液滴在溶液中表現出典型的液態行為，包括可融合性和動態重構能力。更重要的是，金屬核增強了其對光的吸收，使其在激光照射下表現出顯著的光熱響應能力。細胞實驗表明，SNA 凝聚體可被細胞有效吞噬，并在激光激發下引發細胞形態的顯著改變，展現出潛在的腫瘤光熱治療功能。
圖2 DNA編程構筑的液態金屬凝聚體超材料
研究意義
這項研究突破了傳統固態材料構建的局限，首次將DNA的可編程特性引入柔性液態材料體系，為構建具備自組織和自調節能力的下一代智能響應材料奠定了基礎。該成果不僅為仿生液態材料的設計提供了新路徑，也為開發具備環境感知、生物響應和功能集成的新型生物功能平臺開辟了新范式。
