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2024年1月9日，清華大學(xué)劉凱教授、張洪杰院士團(tuán)隊與上海交通大學(xué)樊春海院士團(tuán)隊、中國科學(xué)院長春應(yīng)化所王帆研究員團(tuán)隊共同合作，在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Matter上發(fā)表了最新研究成果，題為“Superstrong and tough DNA bulk fibers via metal ion-induced multiscale engineering”。該研究報道了一種金屬離子引導(dǎo)的DNA多尺度有序組裝范式及連續(xù)紡絲制備技術(shù)，實現(xiàn)了具有高拉伸強(qiáng)度和高韌性的DNA長纖維規(guī)模化制造。

該研究采用稀土等金屬離子引導(dǎo)DNA分子可快速完成分子堆積、納米束形成、微米級絲束有序排列的多尺度組裝過程。所制備的高強(qiáng)高韌DNA纖維各項性能指標(biāo)超越同等測試條件下的重組蛋白絲與聚合物纖維等主流材料。僅使用50毫克DNA即可實現(xiàn)1000米長纖維的連續(xù)制備，輔以后續(xù)加捻與編織工藝，可輕松實現(xiàn)5000倍自身重量以上的重物負(fù)載。更為重要的是，該工作首次驗證了生物質(zhì)DNA可規(guī)?；a(chǎn)高性能纖維材料的可行性，為推動DNA材料面向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。

因具備優(yōu)異的序列可編程性和生物相容性，DNA分子在高技術(shù)材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用備受矚目。在分子尺度層面，規(guī)則的周期性雙螺旋結(jié)構(gòu)賦予了DNA分子優(yōu)異的微觀力學(xué)特性;在宏觀尺度層面，制造能繼承其分子級優(yōu)異機(jī)械性能的DNA塊體材料仍是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。同時，當(dāng)下主流的DNA分子多級有序組裝策略高度依賴復(fù)雜的序列設(shè)計，這直接導(dǎo)致了DNA材料規(guī)?；苽涞碾y度和生產(chǎn)成本呈指數(shù)級放大。因此，發(fā)展可實現(xiàn)高機(jī)械性能DNA材料連續(xù)宏量制備的全新技術(shù)范式被認(rèn)為是推動DNA材料面向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

基于此，清華大學(xué)劉凱教授、張洪杰院士團(tuán)隊與合作者開發(fā)了稀土等金屬離子引導(dǎo)的多尺度工程技術(shù)，實現(xiàn)了高強(qiáng)韌DNA纖維宏量制備。在金屬離子多重作用力引導(dǎo)下，DNA分子可快速完成分子堆積、納米束形成、微米級絲束有序排列的三級組裝過程。該組裝過程避免了復(fù)雜的DNA序列設(shè)計，較好地保留了DNA周期性螺旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了DNA分子各向異性組裝和長程有序結(jié)構(gòu)形成。應(yīng)用該多尺度組裝策略制備的DNA纖維不僅輕質(zhì)，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的宏觀力學(xué)性能。該組裝策略首次證明了使用生物質(zhì)DNA大規(guī)模生產(chǎn)高性能力學(xué)材料及DNA材料面向高技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的可行性。

基于多尺度組裝策略的DNA纖維與織物宏量制造

研究團(tuán)隊通過濕法紡絲技術(shù)，以生物質(zhì)DNA為原料制備出大尺寸DNA纖維。該制備中，凝固浴內(nèi)引入了作為反離子的金屬離子，來屏蔽負(fù)電荷并穩(wěn)定DNA分子，進(jìn)一步交聯(lián)DNA片段以連續(xù)形成纖維(圖1)。制備的DNA纖維直徑均勻，且表面光滑。通過應(yīng)用該技術(shù)，僅使用50毫克DNA即可實現(xiàn)1000米長纖維的連續(xù)制備，輔以后續(xù)加捻與編織工藝，可輕松實現(xiàn)5000倍自身重量以上的重物負(fù)載。

圖 1. DNA纖維與織物的連續(xù)宏量制備與形貌表征

鑭系離子誘導(dǎo)DNA分子組裝與DNA纖維制備

研究團(tuán)隊優(yōu)化紡絲過程中引入的金屬離子種類，首先引入了一系列鑭系離子(La3+、Ce3+、Nd3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Tm3+和Yb3+)來調(diào)節(jié)DNA分子的多尺度組裝過程。八種鑭系離子制備的初紡DNA纖維表現(xiàn)出相似的力學(xué)性能。將制備的DNA纖維進(jìn)行拉伸處理后，其模量和拉伸強(qiáng)度都得到了顯著提高，并且拉伸后DNA纖維的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出隨著引入鑭系離子的原子序數(shù)的增加而降低的周期性變化規(guī)律。鑒于引入的鑭系離子間差異性的離子半徑、磷酸基團(tuán)親和力和誘導(dǎo)DNA構(gòu)象轉(zhuǎn)變等多種因素，協(xié)同影響了DNA的組裝過程，最終理性調(diào)控了DNA纖維的宏觀機(jī)械性能(圖2)。

圖2 稀土離子引導(dǎo)的DNA 纖維力學(xué)性能與組裝過程調(diào)控

二價離子誘導(dǎo)DNA分子組裝與DNA纖維制備

研究團(tuán)隊進(jìn)一步引入二價金屬離子(Mg2+, Ca2+, Zn2+, Co2+及Mn2+)參與DNA纖維的連續(xù)制備過程。在DNA纖維制備中，二價金屬離子預(yù)混進(jìn)DNA紡絲溶液中，以中和帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)并穩(wěn)定DNA分子，離子預(yù)混合處理明顯提高了DNA纖維力學(xué)性能。在五種二價離子中，鎂離子參組裝過程的DNA纖維表現(xiàn)出最強(qiáng)的力學(xué)拉伸強(qiáng)度與楊氏模量，分別為513±16 MPa與9.4±0.6 GPa。相較于其他四種金屬離子，鎂離子能在組裝過程中更有效地保持構(gòu)象和螺旋結(jié)構(gòu)，保證在DNA纖維中產(chǎn)生更有序的各向異性結(jié)構(gòu)。偏光光學(xué)顯微鏡與小角X射線散射表征證明，這種效果在經(jīng)過后拉伸處理的DNA纖維中尤為明顯;拉伸處理后的纖維中DNA分子以更加密集堆積模式在DNA纖維中有序取向(圖3)。

圖3 二價金屬離子引導(dǎo)的DNA纖維制備與表征

DNA纖維內(nèi)部微觀形貌與微觀力學(xué)研究

研究團(tuán)隊隨后表征了纖維的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，以解析多尺度分子組裝過程。在掃描電子顯微鏡(SEM)與原子力顯微鏡(AFM)的圖像中，DNA纖維內(nèi)部表現(xiàn)出粗糙形貌特征，并存在明顯的雙層結(jié)構(gòu)，包含核層和殼層兩部分區(qū)域。X射線能譜表征(EDS)證明纖維核區(qū)域中金屬離子含量明顯低于外殼層區(qū)域。并且，核層和殼層的微觀力學(xué)壓痕表征也表明兩個域的微觀力學(xué)性能存在明顯差異(圖4)?；谝陨媳碚?，核和殼層區(qū)域形貌與微觀力學(xué)的差異源于組裝中金屬離子從凝固浴中梯度擴(kuò)散。隨著金屬離子向DNA相中擴(kuò)散，外殼區(qū)域中的DNA分子逐漸組裝和堆積形成致密組裝結(jié)構(gòu)，阻礙了離子進(jìn)一步向核心結(jié)構(gòu)域擴(kuò)散。在纖維內(nèi)截面的平均微觀模量可達(dá)44±22 GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過DNA分子本身模量;在組裝過程中，金屬離子誘導(dǎo)的DNA分子多尺度組裝促進(jìn)了致密堆積，從而大大提高DNA體纖維內(nèi)部的微機(jī)械剛度。

圖4 DNA 纖維的微觀形貌和微觀力學(xué)特征

DNA纖維的多尺度組裝過程

基于以上結(jié)果，研究團(tuán)隊揭示了金屬離子誘導(dǎo)DNA分子多尺度組裝過程。隨著金屬離子擴(kuò)散到DNA溶液相內(nèi)，中和多余的負(fù)電荷并穩(wěn)定DNA分子。隨后，在金屬離子的引導(dǎo)下，DNA分子間的連接作用積極推動了更大規(guī)模的組裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，從而形成了相互連接的緊密組裝結(jié)構(gòu)和介觀納米束結(jié)構(gòu)。納米束通過拉伸作用沿纖維軸線有序延伸，促進(jìn)纖維的長程各向異性組裝，實現(xiàn)了DNA纖維的連續(xù)成型制備(圖5)。

圖5 DNA纖維多尺度組裝過程以及與其他纖維材料性能比較

總結(jié)與討論

該研究工作展示了金屬離子引導(dǎo)DNA多尺度組裝策略，可用于高強(qiáng)度、高韌DNA纖維的連續(xù)宏量制備。金屬離子誘導(dǎo)的組裝過程保持了DNA分子周期性的螺旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)DNA分子的各向異性組裝，并產(chǎn)生了長程有序組裝結(jié)構(gòu)。通過引入不同的金屬離子，分子組裝結(jié)構(gòu)得到了積極調(diào)整，性能也進(jìn)一步優(yōu)化。所制備的DNA纖維各項性能指標(biāo)超越同等測試條件下的聚氨酯、尼龍6、蠶絲、重組蛋白絲等主流材料。更重要的是，可降解、可再生且來源廣泛的生物質(zhì)DNA首次被應(yīng)用于高性能DNA材料的制備，而不依賴于特定DNA序列設(shè)計，大大降低了DNA材料的生產(chǎn)成本。該多尺度組裝策略可被認(rèn)為是高性能DNA材料的設(shè)計與制造方面的里程碑式創(chuàng)新，并且已建立的金屬離子誘導(dǎo)組裝可能對其他生物大分子甚至聚合物的多尺度組裝也具有指導(dǎo)意義。