《Macromolecules》可调谐和大规模模型网络 StarPEG-DNA 水凝胶

【摘要】

在合成聚合物水凝胶中使用 DNA 作为构建块保证了在溶胶/凝胶温度、可调键寿命、生物相容性以及与生物成分（例如酶、细胞和生长因子）的相互作用方面的高度可编程性。然而，大规模材料的可扩展性和定量结构-性能关系仍然难以实现。

基于美因茨大学Andreas Walther教授团队最近推出的可扩展的一锅液相寡核苷酸合成到星形聚（乙二醇）（PEG）上的 DNA，团队最近又报告了基于 starPEG-DNA 偶联物的水凝胶以及可调双链杂交长度的二价 DNA 接头.通过系统地改变双链熔融温度、盐度和构建块浓度等参数，团队建立了这种水凝胶的机械相空间。

阐明了从几 Pa 到 kPa 范围的可调机械性能，并讨论了自愈和键交换的时间尺度，以及可调溶胶/凝胶转变温度。这些全面的研究揭示了基于可扩展构建块的 DNA 水凝胶材料的未来设计原则，由于其星形和灵活的构建块拓扑结构，允许形成准理想网络。此类材料可用于生物医学和细胞培养领域。相关论文以题为Tunable and Large-Scale Model Network StarPEG-DNA Hydrogels发表在《Macromolecules》上。

【主图导读】

示意图 1. starPEG-DNA 水凝胶形成的示意图。如之前报道的，第一个构建块 starPEG-T20 是在 OP-LPOS 中合成的。然后通过自动固相寡核苷酸合成合成第二个接头结构单元。starPEG-DNA 水凝胶的形成是由两个构建块中 T20 和 A20 突出端的双链杂交触发的。

图 1. 自互补 DNA 接头的设计和分析。(a) 具有 5-20 个 oligo-A 延伸的自互补 DNA 接头的示意图。(b) oligo-T20/A20 和回文 DNA 接头链 L/L* 在 150 mM NaCl+可变 MgCl2 盐浓度下的熔解曲线，使用 Nupack 软件包模拟。(c) 两侧具有 50 bp 和 1 kbp DNA 阶梯的纯化 DNA 接头的 AGE。加载的 2 wt% 琼脂糖凝胶用 Roti-Gelstain 染色并在 80 V 下分离 75 分钟。(d) 脱保护和制备型 HPLC 纯化后纯化的 DNA 接头链的分析 HPLC 色谱图。

图 2. 在 c* ≈ 0.75 mM 时，盐度对 starPEG-T20/A20-L/L*-A20水凝胶流变学特性的影响。Mg2+浓度从0到 50 mM 不等，而 Na+浓度保持恒定在 150 mM。(a) starPEG-T20和 A20-L/L*-A20形成水凝胶的示意图。(b) 0 和 50 mM MgCl2水凝胶的温度扫描（f = 1 Hz，γ = 6%，从 50 到 5 °C，温度速率 = 0.4 °C/min）。溶胶到凝胶的交叉温度 Tco 在图中用箭头表示。(c) 不同 MgCl2浓度下水凝胶的温度扫描。(d) 0 和 50 mM MgCl2 水凝胶的频率扫描 (f = 0.001–100 Hz, γ = 0.1%, 10 °C)。虽然含有 0 mM MgCl2的水凝胶的键弛豫时间τ由图中的箭头表示（灰色曲线），但含有 50 mM MgCl2的水凝胶在测量的频率范围内不会弛豫（蓝色曲线）。(e)柱状图显示了不同 MgCl2浓度下水凝胶在 10°C、G10°C' 和 Tco 下储能模量的演变。

图 3. DNA 接头强度和积木浓度对水凝胶机械性能的影响。starPEG-T20/A20-L/L*-A20和 starPEG-T20/A10-L/L*-A10 水凝胶是在不同的 starPEG-T20 浓度、高于、低于和 c*（0 mM MgCl2 和 150 mM 氯化钠）。(a,b) 使用 starPEG-T20 和 (a) A20-L/L*-A20 和 (b) A10-L/L*-A10 接头形成水凝胶的示意图概述。(c, d) 在 1.5、0.75 和 0.38 mM starPEG-T20 浓度下的温度扫描（f = 1 Hz，γ = 6%，从 50 到 5 °C，温度速率 = 0.4 °C/min）。(e) 不同 starPEG-T20浓度下 G10°C' 和 Tco 的相关性。(f,g) 在 1.5、0.75 和 0.38 mM starPEG-T20浓度下的频率扫描（f = 0.001–100 Hz、γ = 0.1% 和 20 °C）。（h）不同starPEG-T20浓度下的键弛豫时间τ。

图 4. 研究由 starPEG-T20/A10-L/L*-A10 和 starPEG-T10/A10-L/L*-A10 在 c* ≈ 0.75、0 mM MgCl2 形成的水凝胶的机械性能。(a) 温度扫描（f = 1 Hz，γ = 6%，0.75 mM ≈ c*，0 mM MgCl2，40 至 5 °C，温度速率 = 0.4 °C/min）。(b) 频率扫描（f = 0.001–100 Hz，γ = 0.1% 和 20 °C）。

图 5. 自愈特性和凝胶稳定性。(a) starPEG-T20/A20-L/L*-A20 的振幅扫描（γ = 0.1–1000%，f = 1 Hz 和 25 °C；50 mM MgCl2 和 150 mM NaCl）。(b) A20-L/L*-A20 水凝胶的流变学特性，在固定频率下具有 6% 和 500% 的交替应变循环，f = 1 Hz 在 25 °C 下随时间绘制。水凝胶在几轮变形后显示完全恢复。(c) 一种染色的和一种未染色的 A20水凝胶的自我修复的视觉表示。大约 10 分钟后，两个水凝胶片融合成一个无缺陷的单片。(d,e) starPEG-T20/A10-L/L*-A10 水凝胶耐久性随时间的分析。(d) 第 1 天和第 85 天的温度和 (e) 频率扫描。

图 6. starPEG-T20/A20-L/L*-A20 水凝胶的 3D 打印。(a) 显示生物打印所需的墨盒、喷嘴和活塞的 3D 打印设置。(b) 狗骨和 DNA 双螺旋结构中水凝胶的 3D 打印。照片显示了凝胶在室温 (RT) 下的适印性和自支撑性质。

【总结】

团队报告了对基于带有双链接头的 starPEG-DNA 构建块的准理想模型网络水凝胶的表征的首次详细研究。材料设计建立在团队最近开发的 OP-LPOS 合成策略的基础上，该策略为大规模聚合物/DNA 混合材料开辟了道路。可以通过改变接头长度和改变盐度和构建块的浓度来访问广泛的属性空间。凝胶 G' 值可在 20 Pa 至 3.1 kPa 范围内调节，因此在细胞机械感应发生的范围内。(60-62) 松弛时间尺度也特别可通过盐度调节。在二价阳离子 (Mg2+) 存在下组装的所有水凝胶在 10 °C 的测量频率范围 (f = 0.001–100 Hz) 中没有显示弛豫时间，但在其他条件下沿宽谱发生相应变化。水凝胶的形成是坚固的，这种 starPEG-DNA 水凝胶的机械性能可以承受反复的加热和冷却循环，并且在水凝胶组装几个月后，诸如 Tco 和 τ 等性能仍能保持。

水凝胶组装所需的构建块、通过 OP-LPOS 的 starPEG-T20 和通过自动固相合成的 DNA 接头的合成的简便性和可扩展性，应该促进这种水凝胶作为生物材料在各种应用中的应用。因此，该工作奠定了基础，但包括使用适体、酶促反应片段或靶向（例如，使用更复杂的 DNA 接头的应变硬化水凝胶）的更高水平反应的充分可能性似乎是可行的。

参考文献：

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

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