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(dú)特的納米尺寸、剛性結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)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(duì)DNA的傳統(tǒng)認(rèn)知，使其從單純的遺傳信息載體轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N極具價(jià)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(gè)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(guò)合理設(shè)計(jì)堿基互補(bǔ)配對(duì)，減少序列對(duì)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(shí)現(xiàn)了多個(gè)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(jì)出“四臂結(jié)”，開(kāi)創(chuàng)了Tile組裝，標(biāo)志著DNA納米技術(shù)的誕生。此后，科學(xué)家們不斷探索改進(jìn)，1993年Seeman團(tuán)隊(duì)在四臂結(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，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(tuán)隊(duì)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(shí)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(gè)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(wèn)題。2003年，顏顥團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出十字Tile，結(jié)合了四臂結(jié)和DX的優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題提供了思路，但Tile組裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)率低、對(duì)化學(xué)計(jì)量比要求較高的問(wèn)題尚待解決。直到2006年，加州理工學(xué)院的Rothemund開(kāi)發(fā)了DNA折紙術(shù)，選用噬菌體DNAM13mp18作為長(zhǎng)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(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)物復(fù)雜度更高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，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(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)及其他非共價(jià)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別，并通過(guò)光、電等信號(hào)報(bào)告識(shí)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(cè)。近年來(lái)，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(kuò)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(kāi)發(fā)出多種功能化DNA水凝膠并用于各類分子的檢測(cè)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(duì)小分子、離子、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞等不同類型靶標(biāo)的檢測(cè)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于其結(jié)構(gòu)可隨溫度、pH值、鹽離子強(qiáng)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(guò)特定核酸序列的設(shè)計(jì)，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(hào)，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(shí)發(fā)生溶脹或收縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中特定物質(zhì)的響應(yīng)和檢測(cè)；還可以利用DNA水凝膠的可編程性，設(shè)計(jì)出具有特定功能的智能材料，如藥物釋放系統(tǒng)、細(xì)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(zhǔn)的生物傳感技術(shù)對(duì)于疾病的早期診斷、病情監(jiān)測(cè)和個(gè)性化治療至關(guān)重要?；贒NA納米技術(shù)的生物傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生物標(biāo)志物的高靈敏、高特異性檢測(cè)，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(fù)載與緩釋、組織工程和細(xì)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(jì)和制備提供了新的思路和方法，推動(dòng)了材料科學(xué)向智能化、功能化方向發(fā)展。通過(guò)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(dú)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(wèn)題，還將為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)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(lái)，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(jìn)展，吸引了全球眾多科研團(tuán)隊(duì)的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞DNA納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備及其在生物傳感和智能水凝膠中的應(yīng)用展開(kāi)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(guó)外方面，哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)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(guò)在DNA納米結(jié)構(gòu)表面修飾特定的核酸適配體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種生物分子的高特異性識(shí)別和檢測(cè)。例如，針對(duì)腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的DNA納米傳感器能夠在復(fù)雜的生物樣品中準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)分子，檢測(cè)靈敏度達(dá)到皮摩爾級(jí)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(kāi)發(fā)基于DNAzyme的生物傳感器，利用DNAzyme對(duì)特定金屬離子的催化活性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬離子的高靈敏檢測(cè)。他們通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)DNAzyme的序列和結(jié)構(gòu)，使其對(duì)鉛離子、汞離子等重金屬離子具有極高的選擇性，檢測(cè)限可低至納摩爾水平，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了豐碩的成果。中國(guó)科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將DNA水凝膠與納米材料相結(jié)合，開(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)多種生物分子的快速、靈敏檢測(cè)。例如，在檢測(cè)微小核糖核酸（miRNA）時(shí)，該傳感器展現(xiàn)出卓越的性能，檢測(cè)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(kāi)發(fā)了一種新型的熒光生物傳感器，通過(guò)對(duì)DNA序列的精確設(shè)計(jì)和熒光基團(tuán)的巧妙修飾，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞內(nèi)特定分子的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該傳感器能夠在活細(xì)胞內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)分子的濃度變化，為細(xì)胞生物學(xué)研究提供了新的工具。當(dāng)前，DNA納米技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(cè)范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。隨著生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)生物標(biāo)志物的檢測(cè)需求日益增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)檢測(cè)多種生物標(biāo)志物的多通道DNA納米傳感器成為研究的重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)生物傳感的微型化、自動(dòng)化和智能化，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，該領(lǐng)域仍面臨一些難點(diǎn)問(wèn)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(zhǔn)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(wèn)題也需要進(jìn)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(zhǎng)足的進(jìn)步。國(guó)外的一些研究團(tuán)隊(duì)利用DNA的可編程性和特異性識(shí)別能力，設(shè)計(jì)合成了具有多種響應(yīng)特性的智能DNA水凝膠。例如，德國(guó)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種溫度和pH雙重響應(yīng)的DNA水凝膠，通過(guò)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(jià)值。美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)則致力于開(kāi)發(fā)基于DNA水凝膠的細(xì)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(xì)胞提供了一個(gè)良好的生長(zhǎng)微環(huán)境。他們通過(guò)在DNA水凝膠中引入特定的細(xì)胞粘附分子和生長(zhǎng)因子，促進(jìn)了細(xì)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(guó)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一種具有自修復(fù)功能的DNA水凝膠，通過(guò)引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和超分子相互作用，使水凝膠在受到損傷后能夠自動(dòng)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(jī)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(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)生物分子的高效檢測(cè)和分離，同時(shí)通過(guò)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(jì)和應(yīng)用提供了新的思路。目前，智能DNA水凝膠的研究熱點(diǎn)主要包括開(kāi)發(fā)具有更多樣化響應(yīng)特性的水凝膠材料，如對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)較弱，限制了其在一些對(duì)力學(xué)性能要求較高的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)際應(yīng)用的需求，也是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)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(shí)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(lái)的發(fā)展前景。通過(guò)系統(tǒng)地梳理相關(guān)理論和實(shí)踐成果，揭示DNA納米技術(shù)在這兩個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和潛在價(jià)值，為進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和實(shí)踐參考。在研究過(guò)程中，本文主要采用了以下幾種研究方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛搜集國(guó)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(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、專利文獻(xiàn)等。對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)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(shì)以及存在的問(wèn)題，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)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(diǎn)和難點(diǎn)，把握當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(jìn)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(cè)案例，詳細(xì)分析其檢測(cè)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、檢測(cè)性能以及實(shí)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(jī)制以及對(duì)藥物釋放的調(diào)控效果等。通過(guò)對(duì)這些具體案例的分析，深入理解DNA納米技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和局限性，為解決實(shí)際問(wèn)題提供參考依據(jù)。對(duì)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(jìn)行對(duì)比，分析其在性能、成本、應(yīng)用范圍等方面的差異。例如，對(duì)比基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器與傳統(tǒng)的酶?jìng)鞲衅髟跈z測(cè)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(jī)械性能、生物相容性等方面的不同。通過(guò)對(duì)比研究，突出DNA納米技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)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(diǎn)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(lái)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(gè)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(niǎo)嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），它們通過(guò)氫鍵相互配對(duì)，遵循嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，即A與T配對(duì)，形成兩個(gè)氫鍵；C與G配對(duì)，形成三個(gè)氫鍵。這種精確的堿基互補(bǔ)配對(duì)特性是DNA納米技術(shù)的關(guān)鍵，為納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建提供了可靠的分子識(shí)別機(jī)制。DNA納米技術(shù)正是巧妙地利用了堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，將DNA分子視為可編程的“納米積木”，通過(guò)精心設(shè)計(jì)DNA序列，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，研究人員根據(jù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的形狀、大小和功能需求，設(shè)計(jì)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(jì)一系列具有特定長(zhǎng)度和序列的DNA單鏈，這些單鏈通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)相互結(jié)合，形成規(guī)則的網(wǎng)格狀圖案。在這個(gè)過(guò)程中，每條DNA單鏈的堿基序列都經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)，以確保它們能夠按照預(yù)定的方式相互識(shí)別和結(jié)合，從而形成穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)。對(duì)于三維DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，同樣依賴于堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，但設(shè)計(jì)過(guò)程更為復(fù)雜。以構(gòu)建DNA納米八面體為例，需要設(shè)計(jì)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(bǔ)配對(duì)，通過(guò)精確的堿基配對(duì)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(bǔ)配對(duì)的自組裝過(guò)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.2DNA納米技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)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?？删幊绦裕篋NA納米技術(shù)的可編程性是其最為突出的優(yōu)勢(shì)之一。由于DNA分子嚴(yán)格遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，研究人員可以通過(guò)精確設(shè)計(jì)DNA序列，如同編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序一般，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)的形狀、大小和功能進(jìn)行精準(zhǔn)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(shí)，可以根據(jù)目標(biāo)檢測(cè)物的特性，設(shè)計(jì)特定的DNA序列，使其能夠特異性地識(shí)別目標(biāo)物，并通過(guò)與目標(biāo)物的相互作用產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)變化。例如，針對(duì)特定的蛋白質(zhì)分子，設(shè)計(jì)與之互補(bǔ)的核酸適配體序列，并將其整合到DNA納米結(jié)構(gòu)中，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與核酸適配體特異性結(jié)合時(shí)，會(huì)引起DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，進(jìn)而導(dǎo)致熒光信號(hào)、電化學(xué)信號(hào)等檢測(cè)信號(hào)的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的高靈敏檢測(cè)。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(guò)設(shè)計(jì)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(duì)溫度、pH值、離子強(qiáng)度、生物分子等多種刺激產(chǎn)生特定的響應(yīng)。例如，設(shè)計(jì)一種對(duì)特定生物分子敏感的DNA水凝膠，當(dāng)目標(biāo)生物分子存在時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的響應(yīng)和檢測(cè)。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(xì)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(cè)，如血液、尿液、細(xì)胞裂解液等，不會(huì)對(duì)生物樣品的成分和性質(zhì)產(chǎn)生干擾，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(zhǔn)地遞送至病變部位，同時(shí)減少對(duì)正常組織和細(xì)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(guò)靶向修飾使其能夠特異性地識(shí)別腫瘤細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)和組織工程的理想材料。DNA水凝膠可以為細(xì)胞提供一個(gè)類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細(xì)胞的粘附、增殖和分化，促進(jìn)組織的修復(fù)和再生。例如，將細(xì)胞種植在DNA水凝膠支架上，細(xì)胞能夠在水凝膠中正常生長(zhǎng)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(xì)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(jí)，這使得DNA納米技術(shù)能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dú)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(jìn)行相互作用，提高檢測(cè)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(biāo)生物分子的結(jié)合位點(diǎn)，從而增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)。例如，基于DNA納米線的生物傳感器，其納米級(jí)的直徑可以有效地捕獲和傳輸生物分子的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的超靈敏檢測(cè)。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(guò)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(chǎng)景。例如，對(duì)于藥物釋放應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)藥物的長(zhǎng)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(jìn)行復(fù)合，構(gòu)建出具有多功能的復(fù)合材料，進(jìn)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(cè)領(lǐng)域的重要組成部分，其基本原理是利用生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)之間的特異性相互作用，將這種分子層面的識(shí)別事件轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的物理或化學(xué)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的定性或定量分析。生物識(shí)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(shí)別目標(biāo)物質(zhì)，常見(jiàn)的生物識(shí)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(guò)催化底物的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測(cè)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(cè)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、光信號(hào)等可測(cè)量的信號(hào)?？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(guò)光學(xué)、電化學(xué)等方法進(jìn)行檢測(cè)。核酸適配體是通過(guò)指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)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(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。DNA和RNA作為遺傳信息的載體，同樣可以作為生物識(shí)別元件，通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則與目標(biāo)核酸序列特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)核酸分子的檢測(cè)。換能器是生物傳感器中將生物識(shí)別事件轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)信號(hào)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(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)、聲信號(hào)等易于檢測(cè)和處理的信號(hào)形式。根據(jù)換能器的工作原理和檢測(cè)信號(hào)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(jiàn)的類型。電化學(xué)傳感是利用生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的電化學(xué)變化，如電流、電位、阻抗等，通過(guò)電化學(xué)電極將這些變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在基于酶的電化學(xué)傳感器中，酶催化底物反應(yīng)會(huì)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(guò)測(cè)量電流的大小可以定量分析底物的濃度。常見(jiàn)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(dāng)?shù)孜锱c酶發(fā)生反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的電子或離子會(huì)在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電信號(hào)；離子選擇性電極傳感器則是利用離子選擇性膜對(duì)特定離子的選擇性透過(guò)性，當(dāng)溶液中的離子與膜表面的離子交換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電位差，通過(guò)測(cè)量電位差可以檢測(cè)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(cè)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(hào)變化來(lái)檢測(cè)抗原或抗體的濃度。光學(xué)傳感是利用生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)相互作用時(shí)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(guò)光學(xué)檢測(cè)儀器將這些變化轉(zhuǎn)化為光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。在基于熒光標(biāo)記的光學(xué)傳感器中，當(dāng)熒光標(biāo)記的生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合時(shí)，熒光信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度、熒光壽命、熒光偏振等參數(shù)可以定量分析目標(biāo)物質(zhì)的濃度。常見(jiàn)的光學(xué)傳感器包括熒光傳感器、表面增強(qiáng)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(shí)會(huì)發(fā)射出熒光的特性，將熒光物質(zhì)標(biāo)記在生物識(shí)別元件上，當(dāng)生物識(shí)別元件與目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合時(shí)，熒光信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量熒光信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)目標(biāo)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(dāng)分子吸附在金屬納米結(jié)構(gòu)表面時(shí)，拉曼散射信號(hào)會(huì)得到極大增強(qiáng)，通過(guò)檢測(cè)增強(qiáng)的拉曼散射信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子的高靈敏檢測(cè)；光學(xué)生物傳感器是利用光與生物分子相互作用時(shí)產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)變化來(lái)檢測(cè)生物分子，如利用表面等離子體共振（SPR）技術(shù)的傳感器，當(dāng)生物分子與固定在金屬表面的探針?lè)肿咏Y(jié)合時(shí)，會(huì)引起金屬表面折射率的變化，從而導(dǎo)致SPR信號(hào)的改變，通過(guò)檢測(cè)SPR信號(hào)的變化可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(biāo)志物檢測(cè)表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)作為一種極具潛力的高靈敏檢測(cè)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(biāo)志物檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)SERS檢測(cè)面臨著等離子體納米探針精確組裝困難、檢測(cè)特異性和靈敏度有待提高以及背景干擾等問(wèn)題，限制了其在實(shí)際臨床檢測(cè)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(tuán)隊(duì)受農(nóng)業(yè)聯(lián)合機(jī)械化的啟發(fā)，構(gòu)建了一種獨(dú)特的剪切-滾動(dòng)-組裝集成納米器件（CRAIN），為高性能SERS檢測(cè)疾病標(biāo)志物開(kāi)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(gè)高效的檢測(cè)體系。該體系引入DNA納米管作為構(gòu)建載體，利用其獨(dú)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)具有DNAzyme步行鏈的多取向DNA納米輥，這種納米輥的獨(dú)特設(shè)計(jì)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(jìn)行移動(dòng)，通過(guò)與目標(biāo)分子的特異性識(shí)別，激活納米滾輪的自主運(yùn)動(dòng)。當(dāng)納米滾輪遇到金基板上的發(fā)夾軌道時(shí)，會(huì)在軌道上進(jìn)行循環(huán)地剪切和滾動(dòng)，這一過(guò)程顯著提高了反應(yīng)速率。通過(guò)目標(biāo)特異性識(shí)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(jìn)行循環(huán)地剪切和滾動(dòng)，從而顯著提高反應(yīng)速率。該團(tuán)隊(duì)使用核酸編碼的海膽形金銀復(fù)合納米球（nMGS）作為SERS增強(qiáng)探針。這種納米球具有獨(dú)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(qiáng)位點(diǎn)。通過(guò)剪切-滾動(dòng)過(guò)程介導(dǎo)的nMGS探針的受控組裝，促進(jìn)了高密度熱點(diǎn)域的形成。在這些熱點(diǎn)區(qū)域，SERS信號(hào)得到極大增強(qiáng)，進(jìn)一步改善了檢測(cè)靈敏度。以microRNA-21的檢測(cè)為例，microRNA-21作為一種與多種癌癥密切相關(guān)的疾病標(biāo)志物，其在癌癥早期診斷中具有重要意義。在CRAIN系統(tǒng)中，當(dāng)目標(biāo)microRNA-21存在時(shí)，它會(huì)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(yùn)動(dòng)。納米輥沿著發(fā)夾軌道的剪切-滾動(dòng)過(guò)程，帶動(dòng)nMGS探針在金基板表面進(jìn)行有序組裝，形成高密度的SERS熱點(diǎn)區(qū)域。此時(shí)，當(dāng)激發(fā)光照射到這些熱點(diǎn)區(qū)域時(shí)，nMGS探針表面的分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的SERS信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)這些信號(hào)的強(qiáng)度和特征峰，可以準(zhǔn)確地定量檢測(cè)microRNA-21的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CRAIN系統(tǒng)對(duì)microRNA-21的檢測(cè)限低至皮摩爾級(jí)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(zhǔn)確檢測(cè)到微量的microRNA-21。除了microRNA-21，CRAIN系統(tǒng)還展現(xiàn)出對(duì)丁酰膽堿酯酶活性和有機(jī)磷農(nóng)藥等多種分析物的高靈敏度檢測(cè)能力。對(duì)于丁酰膽堿酯酶活性的檢測(cè)，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的DNA序列與丁酰膽堿酯酶的底物類似物相結(jié)合，當(dāng)丁酰膽堿酯酶存在時(shí)，會(huì)催化底物類似物的水解反應(yīng)，從而引發(fā)納米輥的運(yùn)動(dòng)和nMGS探針的組裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)丁酰膽堿酯酶活性的檢測(cè)。對(duì)于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)，利用有機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥的高靈敏檢測(cè)。CRAIN系統(tǒng)的構(gòu)建為SERS生物傳感在疾病標(biāo)志物檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和高效的組裝策略，有效解決了傳統(tǒng)SERS檢測(cè)面臨的諸多問(wèn)題，顯著提高了檢測(cè)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(cè)技術(shù)，不僅在疾病早期診斷、臨床監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)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(dòng)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(cè)金屬離子在生物體內(nèi)的生理過(guò)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(kāi)發(fā)高靈敏、高選擇性的金屬離子檢測(cè)方法對(duì)于疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和食品安全等領(lǐng)域具有重要意義。中南大學(xué)馬昌杯團(tuán)隊(duì)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(guò)精心設(shè)計(jì)DNA納米結(jié)構(gòu)并結(jié)合DNAzyme的特異性催化活性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬離子的靈敏檢測(cè)，相關(guān)研究成果在國(guó)際頂級(jí)期刊《CoordinationChemistryReviews》上發(fā)表。DNAzyme，即脫氧核酶，是通過(guò)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(diǎn)，能夠特異性地識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)金屬離子，并在其存在下表現(xiàn)出獨(dú)特的催化活性。在該研究中，團(tuán)隊(duì)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(gè)理想的作用平臺(tái)，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)金屬離子的識(shí)別和檢測(cè)能力。以鉛離子（Pb2?）檢測(cè)為例，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jiàn)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(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)自組裝而成。在這個(gè)傳感器中，其中一條DNA單鏈上包含了對(duì)Pb2?具有特異性識(shí)別能力的DNAzyme序列。當(dāng)溶液中存在Pb2?時(shí)，它會(huì)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(cè)的信號(hào)變化。在本實(shí)驗(yàn)中，選用了一種熒光標(biāo)記的底物，當(dāng)?shù)孜锉籇NAzyme催化水解后，熒光基團(tuán)與淬滅基團(tuán)分離，熒光信號(hào)顯著增強(qiáng)。通過(guò)檢測(cè)熒光信號(hào)的強(qiáng)度變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)Pb2?濃度的定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器對(duì)Pb2?具有極高的選擇性和靈敏度，檢測(cè)限低至納摩爾級(jí)別，能夠有效地排除其他金屬離子的干擾，準(zhǔn)確檢測(cè)出溶液中的微量Pb2?。除了Pb2?，該團(tuán)隊(duì)還成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)其他金屬離子，如汞離子（Hg2?）、銅離子（Cu2?）等的檢測(cè)。對(duì)于Hg2?的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于DNA折紙技術(shù)的納米結(jié)構(gòu)，將對(duì)Hg2?具有特異性識(shí)別能力的胸腺嘧啶-汞離子-胸腺嘧啶（T-Hg2?-T）堿基對(duì)引入到DNA折紙結(jié)構(gòu)中。當(dāng)Hg2?存在時(shí)，會(huì)與T-Hg2?-T堿基對(duì)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(biāo)記的熒光分子的熒光信號(hào)。通過(guò)監(jiān)測(cè)熒光信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hg2?的靈敏檢測(cè)。對(duì)于Cu2?的檢測(cè)，則利用了Cu2?能夠催化DNAzyme切割特定DNA序列的特性，設(shè)計(jì)了一種基于DNA納米線的傳感器。當(dāng)Cu2?存在時(shí)，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(guò)測(cè)量電學(xué)信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2?的檢測(cè)。整合DNAzyme的DNA納米結(jié)構(gòu)在金屬離子檢測(cè)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這種檢測(cè)方法不僅具有高靈敏度和高選擇性，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)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(qiáng)了其抗干擾能力，同時(shí)也便于對(duì)傳感器進(jìn)行修飾和功能化，進(jìn)一步拓展了其應(yīng)用范圍。該研究為金屬離子檢測(cè)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(cè)和食品安全檢測(cè)等實(shí)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(cè)問(wèn)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(píng)估癌癥耐藥性癌癥耐藥性是癌癥治療過(guò)程中面臨的重大挑戰(zhàn)之一，嚴(yán)重影響了癌癥患者的治療效果和生存率。準(zhǔn)確評(píng)估癌癥耐藥性對(duì)于制定個(gè)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(píng)估方法存在諸多局限性，如藥物遞送效率低、細(xì)胞活力測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等，無(wú)法滿足臨床快速、準(zhǔn)確評(píng)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(duì)這些問(wèn)題，開(kāi)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(píng)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(cè)模塊組成，兩模塊之間通過(guò)拼圖式的結(jié)構(gòu)組裝，這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了器件的靈活性，允許模塊的獨(dú)立設(shè)計(jì)和替換，為個(gè)性化定制提供了可能，同時(shí)也支持系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。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(chǎng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高效、快速的藥物遞送。在該模塊中，首先建立了一個(gè)細(xì)胞物理模型，深入分析了納米通道上細(xì)胞周?chē)碾妶?chǎng)和電勢(shì)分布。結(jié)果顯示，當(dāng)施加的系統(tǒng)電壓在10V-40V范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生＞1V的跨膜電勢(shì)（細(xì)胞膜內(nèi)外的電勢(shì)差），成功地在細(xì)胞膜上進(jìn)行了電穿孔。納米通道具有聚焦電場(chǎng)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(xì)胞內(nèi)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)將細(xì)胞內(nèi)遞送速度提高了103倍，藥物內(nèi)化時(shí)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(xì)胞內(nèi)的濃度，為后續(xù)準(zhǔn)確評(píng)估藥物對(duì)細(xì)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(xì)胞被消化后沿著微流道進(jìn)入DNA張力傳感檢測(cè)模塊。該DNA張力傳感器通過(guò)修飾的膽固醇自發(fā)地嵌入細(xì)胞膜。在藥物的刺激作用下，細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)這種變化超過(guò)DNA張力傳感器預(yù)設(shè)的力的閥值時(shí)，DNA張力傳感器發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，導(dǎo)致熒光信號(hào)的產(chǎn)生。通過(guò)分析細(xì)胞力學(xué)特性的變化情況，進(jìn)而可以分析細(xì)胞的活性。以抗腫瘤藥物DOX作為藥物模型，并采用A549細(xì)胞（人類非小細(xì)胞肺癌）作為細(xì)胞模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(hào)）被成功遞送進(jìn)細(xì)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(tái)能有效地提高了細(xì)胞的藥物內(nèi)化率。同時(shí)，DNA張力傳感器模塊能夠以熒光信號(hào)的強(qiáng)弱直接、快速（＜30分鐘）地反映藥物刺激下細(xì)胞活性的變化情況。而傳統(tǒng)試驗(yàn)需要＞24小時(shí)才能進(jìn)行一輪藥物評(píng)估。該研究還使用DNA張力傳感器模塊評(píng)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(yàn)對(duì)于細(xì)胞存活率的定量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示二者一致，確認(rèn)了這一DNA張力傳感器用于細(xì)胞存活評(píng)估的可靠性。納米電穿孔-DNA張力傳感生物芯片的開(kāi)發(fā)，為癌癥耐藥性的評(píng)估提供了一種快速、準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)了藥物的快速遞送和細(xì)胞力學(xué)變化的實(shí)時(shí)檢測(cè)，能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確評(píng)估癌癥細(xì)胞對(duì)藥物的反應(yīng)，為臨床醫(yī)生制定個(gè)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(tái)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(dòng)癌癥治療向更加精準(zhǔn)、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(shì)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(shì)，為生物傳感技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，推動(dòng)了生物傳感技術(shù)向更高性能、更廣泛應(yīng)用的方向邁進(jìn)。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(shì)之一?；贒NA嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，研究人員能夠像編寫(xiě)程序一樣精確設(shè)計(jì)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(shí)別各種目標(biāo)生物分子，極大地提高了生物傳感器的檢測(cè)特異性。在設(shè)計(jì)用于檢測(cè)特定蛋白質(zhì)的DNA納米傳感器時(shí)，可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)DNA序列，使其與蛋白質(zhì)表面的特定區(qū)域進(jìn)行特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)蛋白質(zhì)的精準(zhǔn)識(shí)別，有效避免與其他無(wú)關(guān)蛋白質(zhì)的非特異性結(jié)合，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)DNA納米結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象和功能基團(tuán)的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的多重識(shí)別和信號(hào)放大，進(jìn)一步提高檢測(cè)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(gè)分支上分別修飾與目標(biāo)生物分子不同位點(diǎn)互補(bǔ)的DNA序列，當(dāng)探針與目標(biāo)分子結(jié)合時(shí)，形成多價(jià)態(tài)的結(jié)合模式，增強(qiáng)了結(jié)合的穩(wěn)定性和信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度目標(biāo)生物分子的高靈敏檢測(cè)。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(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，需要檢測(cè)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(huì)對(duì)生物樣品產(chǎn)生干擾，影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)生物分子的檢測(cè)。DNA納米結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)不易引起免疫反應(yīng)和細(xì)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(cè)，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)的生理過(guò)程和疾病狀態(tài)提供了可能。在體內(nèi)腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)中，將基于DNA納米技術(shù)的生物傳感器通過(guò)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(shí)別腫瘤標(biāo)志物，并將檢測(cè)信號(hào)傳遞出來(lái)，為腫瘤的早期診斷和治療效果監(jiān)測(cè)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(jí)，這使得DNA納米技術(shù)能夠在納米尺度上實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dú)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(biāo)生物分子的結(jié)合位點(diǎn)，從而增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)?；贒NA納米線的生物傳感器，其納米級(jí)的直徑可以有效地捕獲和傳輸生物分子的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的超靈敏檢測(cè)。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(zhǔn)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(guò)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)行復(fù)合，構(gòu)建出具有多功能的復(fù)合材料，進(jìn)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(qiáng)DNA納米傳感器的光學(xué)信號(hào)，提高檢測(cè)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(jìn)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(guò)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(jì)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(guò)程需要嚴(yán)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(guò)程也需要精細(xì)的操作和優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，以確保得到高質(zhì)量的產(chǎn)物，這進(jìn)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(cè)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(shí)，其結(jié)構(gòu)和性能可能會(huì)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(huì)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(guò)程也可能受到實(shí)驗(yàn)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(wèn)題嚴(yán)重制約了DNA納米技術(shù)在生物傳感中的實(shí)際應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究和解決。檢測(cè)信號(hào)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(shí)別信號(hào)，但如何有效地放大和傳輸這些信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)高靈敏、快速的檢測(cè)，仍然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在一些基于DNA納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器中，檢測(cè)信號(hào)較弱，需要進(jìn)行信號(hào)放大處理。目前常用的信號(hào)放大方法，如酶催化放大、核酸擴(kuò)增放大等，雖然在一定程度上提高了檢測(cè)靈敏度，但也存在操作復(fù)雜、易受干擾等問(wèn)題。信號(hào)的傳輸也面臨挑戰(zhàn)，如何將生物傳感器產(chǎn)生的信號(hào)準(zhǔn)確、快速地傳輸?shù)綑z測(cè)設(shè)備中，并進(jìn)行有效的處理和分析，也是需要解決的問(wèn)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(hào)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(shí)際應(yīng)用中，生物傳感器往往需要檢測(cè)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(xì)胞碎片、代謝產(chǎn)物等成分，可能會(huì)對(duì)DNA納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非特異性吸附、干擾檢測(cè)信號(hào)等問(wèn)題，影響傳感器的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)其在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的重要前提。需要進(jìn)一步研究開(kāi)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(cè)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(dú)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(chǎng)、磁場(chǎng)、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(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，溫敏型智能水凝膠的分子鏈構(gòu)象會(huì)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(guò)物理或化學(xué)方式進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)能夠自動(dòng)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(dòng)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(dāng)水凝膠受到外力破壞時(shí)，這些動(dòng)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(jìn)組織的修復(fù)和再生。根據(jù)不同的響應(yīng)機(jī)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(dāng)環(huán)境溫度低于LCST時(shí)，水凝膠處于溶脹狀態(tài)；當(dāng)溫度高于LCST時(shí)，水凝膠發(fā)生收縮。這種特性使其在藥物控釋、細(xì)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(dāng)水凝膠所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，水凝膠的溶脹或收縮會(huì)導(dǎo)致藥物釋放速度的改變，從而實(shí)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(tuán)，當(dāng)環(huán)境pH值改變時(shí)，這些基團(tuán)會(huì)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(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)藥物的靶向輸送。電敏感型水凝膠在電場(chǎng)作用下會(huì)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(chǎng)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(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為體積變化信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)水凝膠的體積變化來(lái)感知電場(chǎng)的變化。光敏感型水凝膠在光刺激下，其分子鏈構(gòu)型會(huì)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(guò)光照射來(lái)精確控制藥物的釋放時(shí)間和釋放量。磁性響應(yīng)型水凝膠能夠?qū)ν饧哟艌?chǎng)做出響應(yīng)，其溶脹行為會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的變化而改變。這種特性使其在細(xì)胞分離、固定化酶、靶向藥物等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)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(guò)外加磁場(chǎng)引導(dǎo)水凝膠攜帶藥物到達(dá)特定的組織或器官，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)輸送。生物分子響應(yīng)型水凝膠能對(duì)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(dòng)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(dòng)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(jì)成分子識(shí)別系統(tǒng)，在生物體內(nèi)專一性地識(shí)別特定的酶和DNA分子，用于生物檢測(cè)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(guò)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。海藻酸鈉水凝膠是一種常見(jiàn)的天然智能水凝膠，它可以與鈣離子等多價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的水凝膠。海藻酸鈉水凝膠對(duì)pH值和離子強(qiáng)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(guò)在高分子鏈上引入特定的功能基團(tuán)，賦予水凝膠對(duì)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(shí)，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(dāng)溫度高于LCST時(shí)，氫鍵斷裂，分子鏈?zhǔn)湛s，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(xì)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(dòng)態(tài)基質(zhì)（DyNAtrix）用于細(xì)胞和類器官培養(yǎng)細(xì)胞外間質(zhì)細(xì)胞的微環(huán)境是決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵因素之一，基質(zhì)硬度通過(guò)機(jī)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(xì)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(jī)械應(yīng)力隨時(shí)間的變化，更快的應(yīng)力松弛可以促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)散、遷移和分化。然而，用于細(xì)胞培養(yǎng)的最廣泛使用的水凝膠是動(dòng)物來(lái)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(xì)胞刺激。提供粘彈性可調(diào)性的更先進(jìn)的材料需要對(duì)系統(tǒng)的組分進(jìn)行相當(dāng)大的修改，其對(duì)細(xì)胞的影響很難從機(jī)械效應(yīng)中解脫出來(lái)?；诖?，德國(guó)德累斯頓萊布尼茨高分子研究所E.Krieg教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了基于DNA文庫(kù)的全合成水凝膠，這些DNA文庫(kù)與超高分子量聚合物自組裝，形成動(dòng)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(jì)算可預(yù)測(cè)以及通過(guò)改變DNA序列信息對(duì)其粘彈性、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制，可調(diào)節(jié)的熱激活使哺乳動(dòng)物細(xì)胞均質(zhì)包埋。有趣的是，應(yīng)力松弛時(shí)間可以調(diào)節(jié)到4個(gè)數(shù)量級(jí)，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(xì)胞相容性和血液相容性以及可控降解等優(yōu)點(diǎn)?；赿ynatrix培養(yǎng)的人間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞、多能干細(xì)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(jì)方面，研究團(tuán)隊(duì)首先合成了3個(gè)衍生物，P1、P5和P10，平均每個(gè)骨架上分別有3、20和28條共價(jià)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(jià)連接的通用錨定位點(diǎn)，因此，單個(gè)聚合物批次可用于組裝具有極大不同性質(zhì)的材料。在細(xì)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(jìn)細(xì)胞黏附和機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)。經(jīng)RGD接枝的衍生物5和10與無(wú)肽的衍生物具有相似的分子量。通過(guò)統(tǒng)計(jì)模擬說(shuō)明了CCL復(fù)雜性和每個(gè)聚合物的錨鏈數(shù)量對(duì)交聯(lián)效率的影響。為了抑制80%的分子內(nèi)交聯(lián)，預(yù)測(cè)P1、P5和P10分別需要4、40和60對(duì)夾板。研究團(tuán)隊(duì)用包含1、4、16、64或256對(duì)夾板（CCL-1到CCL-256）的CCL文庫(kù)對(duì)P5進(jìn)行補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)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(guò)了損耗模量（G″），證實(shí)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(kù)尺寸沒(méi)有進(jìn)一步增加，這與預(yù)測(cè)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(diǎn)隨著CCL復(fù)雜度的增加而降低，從65℃（CCL-1）降低到53℃（CCL-256），因?yàn)槊總€(gè)不同夾板對(duì)的濃度隨著庫(kù)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(cè)非常一致。在細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用中，研究團(tuán)隊(duì)探討了DyNAtrix中來(lái)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?yàn)榭烧{(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(shí)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(bào)道的長(zhǎng)期滋養(yǎng)層類器官培養(yǎng)方案。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)和發(fā)育。該研究結(jié)果說(shuō)明了DNA納米技術(shù)在軟材料工程中對(duì)可編程、自適應(yīng)、自修復(fù)和可打印的3D細(xì)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(jì)方面的潛力，允許研究人員將可預(yù)測(cè)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(jī)械穩(wěn)定性，允許通過(guò)僅改變交聯(lián)劑序列上的幾個(gè)堿基來(lái)系統(tǒng)地調(diào)整應(yīng)力松弛。HACs顯示可定制的結(jié)合動(dòng)力學(xué)，這對(duì)于均勻的細(xì)胞封裝和與現(xiàn)有細(xì)胞培養(yǎng)工作流的無(wú)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(xì)胞附著和圖案化細(xì)胞在材料表面的精確固定和圖案化對(duì)于組織工程、細(xì)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(shí)現(xiàn)細(xì)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(guó)拜羅伊特大學(xué)MartinHumenik教授團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了細(xì)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(guò)程中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(diǎn)擊”到納米原纖維上，這一過(guò)程可以通過(guò)熒光標(biāo)記的DNA互補(bǔ)物進(jìn)行特定的基于雜交的修飾，從而驗(yàn)證了修飾的可行性。為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在納米水凝膠上的固定，團(tuán)隊(duì)使用脂質(zhì)修飾劑將DNA有效地?fù)饺敕琴N壁Jurkat細(xì)胞的膜中?；诤怂岬幕パa(bǔ)性，高度特異性的DNA輔助將細(xì)胞固定在具有可調(diào)細(xì)胞密度的納米水凝膠上成為可能。通過(guò)調(diào)整DNA序列和濃度，可以精確控制細(xì)胞在納米水凝膠上的附著數(shù)量和分布密度。使用競(jìng)爭(zhēng)性寡核苷酸探針證明了DNA細(xì)胞到表面錨的可尋址性，當(dāng)加入競(jìng)爭(zhēng)性寡核苷酸探針時(shí)，探針與固定細(xì)胞的DNA序列競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合，導(dǎo)致75-95%的細(xì)胞快速釋放，這表明可以通過(guò)外部因素對(duì)細(xì)胞在納米水凝膠上的固定狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的圖案化固定，團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(guò)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(jìn)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(xì)胞固定在納米水凝膠微結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了高保真度的細(xì)胞圖案化。通過(guò)這種方法，可以精確地控制細(xì)胞在特定區(qū)域的附著，形成各種預(yù)定的圖案，為細(xì)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(xì)胞附著和圖案化方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其高度特異性的DNA輔助細(xì)胞固定方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞密度和位置的精確控制，為細(xì)胞生物學(xué)研究提供了一種精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；诠饪痰膱D案化技術(shù)，使得細(xì)胞能夠按照預(yù)定的圖案進(jìn)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?yàn)榧?xì)胞提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)微環(huán)境，有利于細(xì)胞的正常生長(zhǎng)和功能發(fā)揮。該研究成果為細(xì)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(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)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(xì)胞的離子平衡，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及能量采集。納米通道門(mén)控機(jī)制可以通過(guò)各種觸發(fā)物質(zhì)來(lái)實(shí)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(shí)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(lái)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(mén)控機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。然而，目前的DNA門(mén)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(yáng)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(jì)是必要的?；诖耍锌圃豪砘?化學(xué)所江雷院士團(tuán)隊(duì)及TianYe，I.Willner（共同通訊作者）首次開(kāi)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(fù)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(shí)現(xiàn)柔性和堅(jiān)硬之間可逆轉(zhuǎn)變，為納米通道提供了門(mén)控機(jī)制?；贒NA水凝膠的結(jié)構(gòu)和PH刺激，對(duì)陽(yáng)離子或者陰離子傳輸方向可以得到精確地控制，并且多門(mén)控效果得以實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，水凝膠中的G-4DNA（G-quadruplex四聯(lián)體，是一種由富含鳥(niǎo)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(guò)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(guò)雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)組裝在金覆蓋的尖端，形成PET/Au/DNAHydrogel，這種狀態(tài)為“開(kāi)”。當(dāng)K?存在時(shí)，水凝膠中的DNA轉(zhuǎn)變?yōu)樗木垠w結(jié)構(gòu)，形成堅(jiān)硬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（PET/Au/K?-StabilizedDNAhydrogel），這種狀態(tài)被為“關(guān)”。當(dāng)冠醚存在時(shí)，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(guò)對(duì)納米通道的離子傳輸性能測(cè)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(cè)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?yàn)镻ET/Au/DNAHydrogel的負(fù)電荷在整個(gè)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(duì)應(yīng)的陽(yáng)離子濃度和陽(yáng)/陰離子比例，從而改善納米通道中離子電流和整流比。而對(duì)于PET/Au/K?-StabilizedDNAHydrogel納米通道，由于部分負(fù)電荷的中和，分布在尖端的負(fù)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(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變（17.16±0.07到52.75±0.16），并且沒(méi)有遲滯。PH對(duì)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(lái)源于陽(yáng)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(lái)源與陰離子傳導(dǎo)。這樣納米通道實(shí)現(xiàn)有選擇的離子門(mén)控。研究團(tuán)隊(duì)還制備了“Cigar”形狀雙門(mén)控離子通道，通過(guò)對(duì)其在不同條件下的離子傳輸性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，左右對(duì)稱修飾DNA水凝膠納米通道和非對(duì)稱修飾DNA水凝膠的納米通道在不同PH值下，對(duì)陽(yáng)離子和陰離子的傳輸具有選擇性和可逆性。例如，在PH=7時(shí)，非對(duì)稱修飾DNA水凝膠的納米通道（關(guān)/開(kāi)狀態(tài)或開(kāi)/關(guān)狀態(tài)）僅有陽(yáng)離子可以通過(guò)并且傳輸方向可逆；在PH=3時(shí)，僅允許陰離子通過(guò)并且傳輸方向可以轉(zhuǎn)變。該工作通過(guò)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(dú)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(jì)和應(yīng)用開(kāi)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(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，例如可用于生物傳感器的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子和離子的高靈敏檢測(cè)；在藥物輸送系統(tǒng)中，可通過(guò)控制離子通道的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)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(jìn)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(shì)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(shì)，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(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)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(xiě)代碼一樣，精確設(shè)計(jì)DNA序列，從而對(duì)水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。在構(gòu)建DNA水凝膠時(shí)，可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)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(guò)調(diào)整DNA鏈的長(zhǎng)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(guò)設(shè)計(jì)特定的DNA序列，引入具有特定功能的基團(tuán)，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(duì)特定的生物分子產(chǎn)生特異性響應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)生物分子存在時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，水凝膠需要與生物組織和細(xì)胞密切接觸，良好的生物相容性是其應(yīng)用的關(guān)鍵前提?；贒NA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(xì)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(duì)正常組織和細(xì)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(xì)胞培養(yǎng)支架，為細(xì)胞提供一個(gè)類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細(xì)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(jìn)組織的修復(fù)和再生。高度的可設(shè)計(jì)性：DNA納米技術(shù)使得智能水凝膠的設(shè)計(jì)更加靈活多樣，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)出具有特定功能和性能的水凝膠。通過(guò)合理設(shè)計(jì)DNA序列，可以引入各種功能性基團(tuán)和結(jié)構(gòu)，賦予水凝膠獨(dú)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的響應(yīng)。通過(guò)引入光敏感的DNA序列，設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生改變，可應(yīng)用于光控藥物釋放、光驅(qū)動(dòng)的生物傳感器等領(lǐng)域。還可以通過(guò)設(shè)計(jì)DNA序列，使水凝膠具有多重響應(yīng)特性，同時(shí)對(duì)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(shí)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(jì)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(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。DNA成本較高：DNA的合成和修飾過(guò)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(duì)較高。在制備基于DNA納米技術(shù)的智能水凝膠時(shí)，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(duì)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(kāi)發(fā)高效、低成本的DNA制備技術(shù)，是推動(dòng)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(qiáng)度和韌性仍相對(duì)較低。在一些實(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用的需求，是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。研究人員正在探索通過(guò)引入其他材料進(jìn)行復(fù)合、優(yōu)化DNA水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方法，來(lái)提高其力學(xué)性能。生物安全性評(píng)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(zhǎng)期安全性和潛在風(fēng)險(xiǎn)仍有待深入研究。在水凝膠的制備過(guò)程中，可能會(huì)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(guò)程也需要進(jìn)一步研究，以確保其不會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生不良影響。目前，對(duì)于DNA納米技術(shù)在智能水凝膠中的生物安全性評(píng)估體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。建立完善的生物安全性評(píng)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(xiǎn)，是實(shí)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(guò)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(guò)程都需要嚴(yán)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(guò)程也需要精細(xì)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(shí)間，還對(duì)制備人員的技術(shù)水平和操作經(jīng)驗(yàn)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(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、高效、可重復(fù)性好的制備工藝，是促進(jìn)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(duì)比與展望5.1應(yīng)用原理與機(jī)制的對(duì)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(duì)DNA分子獨(dú)特性質(zhì)的巧妙利用之上，然而其具體的應(yīng)用原理與機(jī)制卻各具特色，存在著顯著的異同點(diǎn)。從相同點(diǎn)來(lái)看，兩者都高度依賴DNA的可編程性和特異性識(shí)別能力。DNA的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則為納米結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建提供了可靠的分子識(shí)別機(jī)制，這是DNA納米技術(shù)在兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的核心基礎(chǔ)。在生物傳感中，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的DNA序列，使其能夠與目標(biāo)生物分子進(jìn)行特異性結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的識(shí)別和檢測(cè)。在檢測(cè)特定的蛋白質(zhì)時(shí)，設(shè)計(jì)與之互補(bǔ)的核酸適配體序列，并將其整合到DNA納米結(jié)構(gòu)中，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與核酸適配體特異性結(jié)合時(shí)，會(huì)引起DNA納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，進(jìn)而導(dǎo)致熒光信號(hào)、電化學(xué)信號(hào)等檢測(cè)信號(hào)的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)。在智能水凝膠領(lǐng)域，同樣利用DNA的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則來(lái)構(gòu)建水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)DNA序列，使不同的DNA鏈之間按照預(yù)定的方式相互識(shí)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(shí)，將具有互補(bǔ)序列的DNA鏈混合，它們會(huì)通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)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(shì)。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(xì)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(cè)，不會(huì)對(duì)生物樣品的成分和性質(zhì)產(chǎn)生干擾，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)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(xì)胞培養(yǎng)和組織工程的理想材料，能夠?yàn)榧?xì)胞提供一個(gè)類似于天然細(xì)胞外基質(zhì)的微環(huán)境，支持細(xì)胞的正常生長(zhǎng)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(jī)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(shí)別元件或信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)，通過(guò)與目標(biāo)生物分子的特異性相互作用，將生物識(shí)別事件轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的物理或化學(xué)信號(hào)。基于DNA納米結(jié)構(gòu)的SERS生物傳感用于疾病標(biāo)志物檢測(cè)，利用DNA納米結(jié)構(gòu)精確組裝等離子體納米探針，通過(guò)目標(biāo)分子與納米結(jié)構(gòu)的特異性識(shí)別，激活納米結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和組裝，形成高密度的SERS熱點(diǎn)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病標(biāo)志物的高靈敏檢測(cè)。DNAzyme功能化DNA納米結(jié)構(gòu)用于金屬離子檢測(cè)，利用DNAzyme對(duì)特定金屬離子的特異性識(shí)別和催化活性，當(dāng)金屬離子存在時(shí)，DNAzyme發(fā)生構(gòu)象變化，催化底物反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子的檢測(cè)。而在智能水凝膠領(lǐng)域，主要原理是利用DNA水凝膠對(duì)環(huán)境刺激的響應(yīng)性，通過(guò)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(shí)現(xiàn)特定的功能。DNA編碼粘彈性動(dòng)態(tài)基質(zhì)（DyNAtrix）用于細(xì)胞和類器官培養(yǎng)，通過(guò)改變DNA序列信息對(duì)其粘彈性、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)微環(huán)境的精確調(diào)控。DNA功