华中科技大学吴钰周教授《自然·通讯》：橡胶般强韧！纯DNA高性能水凝胶问世

合成材料的过度积累对生物圈构成了严重威胁，开发基于生物质的可持续材料迫在眉睫。DNA是一种取之不尽的生物聚合物，地球上的生物质DNA储量巨大，但其作为可持续材料的发展尚处于起步阶段。一个主要障碍是缺乏能够制备具有足够机械强度的大体积DNA材料的方法。传统的基于链杂交或化学交联的方法只能产生模量和拉伸强度低于50 kPa的软果冻状水凝胶，极大地限制了其作为强韧生物材料的广泛应用。

近日，华中科技大学吴钰周教授团队报道了一种快速收缩诱导缠结（FaSIE）的新策略，成功制备了完全由DNA构成的橡胶状水凝胶。该水凝胶展现出卓越的机械性能，刚度超过800 kPa，韧性超过5 MJ/m³，拉伸率超过1000%。该策略的核心在于利用快速脱水动力学限制链松弛，并结合生物质DNA的超长链特征抑制链爬行，从而协同实现了缠结密度的极大提升，超过了获得高机械强度所需的阈值。这项工作为大规模生产源自生物质DNA的强韧水凝胶材料开辟了道路。相关论文以“Rubber-like DNA hydrogel enabled by fast-shrinking-induced entanglement”为题，发表在

Nature Communications

研究人员以商业化的鲑鱼精子DNA为模型系统，演示了FaSIE过程。当将冰乙酸（AA）和Triton X-100（TX）的混合溶液添加到浓缩的DNA溶液中时，溶液体积在数秒内快速收缩约50%，瞬间形成水凝胶（图1D）。这种快速凝胶化过程将非平衡的链构象捕获，形成了超高密度的拓扑缠结网络。所得的水凝胶被命名为缠结DNA水凝胶（E-Gel）。红外光谱和染色实验证实，水凝胶主要由DNA组成，且双链结构在凝胶中和甚至拉伸后都得以完好保持，AA和TX并未充当交联剂。

图1：通过快速收缩诱导缠结（FaSIE）形成橡胶状DNA水凝胶。 （A）通过碱基配对和化学交联制备DNA水凝胶的传统策略。两种策略都导致水凝胶柔软易碎。 （B）当前通过低水单体比进行原位聚合获得缠结聚合物水凝胶的策略。 （C）本工作中FaSIE策略的示意图。长链生物质DNA（以鲑鱼精子DNA为例）被溶解成超过缠结浓度的浓缩溶液。引入冰乙酸和Triton X-100的1:1（体积比）混合物（AA/TX），以促进该溶液的快速收缩，从而获得高度缠结的橡胶状DNA水凝胶。虚线框说明了收缩过程，其中超长的链长和快速的收缩动力学最小化了链解缠结，并最大化了由压缩引起的缠结。 （D）照片分别显示了鲑鱼精子DNA、浓缩DNA溶液以及用GelRedTM DNA染色剂染色后的DNA水凝胶的外观。

性能测试表明，E-Gel的机械性能远超传统化学交联的DNA水凝胶（C-Gel）。在单轴拉伸测试中，E-Gel的平均断裂伸长率高达1107%，杨氏模量约为60.48 kPa，极限拉伸强度超过0.4 MPa，并且拉伸滞后很小，表现出优异的弹性（图2A，C）。在压缩测试中，E-Gel的压缩模量可达18.65 kPa，能承受90%的压缩并迅速恢复原状，而C-Gel在70%压缩时即完全塌陷（图2B，D）。扫描电镜显示，E-Gel在干燥状态下结构均匀致密，而在水中则会剧烈溶胀，形成多孔结构，并且最终可被DNase完全降解，展现了其动态相互作用的特性（图2E，F）。

研究进一步揭示了决定FaSIE过程成功的关键因素：快速收缩动力学、高初始DNA浓度和超长DNA链。缓慢脱水只会得到粘稠液体，无法形成凝胶，证明了动力学驱动过程对产生高密度缠结的必要性。同时，DNA的初始浓度必须显著超过其临界缠结浓度（Ce），才能在整个溶液中形成完整的缠结网络。对于高分子量DNA（如20，000 bp），Ce较低，便于在5%-15%的实用浓度范围内形成强韧水凝胶；而当DNA链长短于1000 bp时，则难以在此浓度范围内获得水凝胶（图2G）。提高初始DNA浓度能显著提升凝胶的刚度、强度和韧性（图2H，I）。

图2：E-Gel的机械性能及浓度/链长依赖性。 （A）E-Gel和C-Gel在单轴拉伸下的应力-应变曲线。插图：应力-应变曲线的放大视图以显示C-Gel。 （B）E-Gel和C-Gel的压缩应力-应变曲线。插图：应力-应变曲线的放大视图以显示C-Gel。 （C）拉伸测试期间E-Gel和C-Gel的照片。 （D）压缩测试期间E-Gel和C-Gel的照片。 （E）E-Gel在PBS中溶胀12小时前后的扫描电子显微镜（SEM）图像和照片。展示的图像来自三次独立实验，结果相似。 （F）E-Gel经DNase I（0.2 U/μL， 500 μL）处理24小时后的消化情况。 （G）FaSIE过程的链长和浓度依赖性。相图是使用补充图14中的数据绘制的。 （H）具有不同初始浓度（Ci）的E-Gel在单轴拉伸下的应力-应变曲线。 （I）具有不同初始浓度（Ci）的E-Gel在压缩测试下的应力-应变曲线。

为了增强E-Gel在水环境中的稳定性并拓展其应用，研究人员在凝胶形成后引入了镁离子（Mg²⁺）和化学交联剂PEGDE进行后稳定化处理（图3A）。所得的E-Mg-PEG-Gel在水中溶胀平衡后，仍能保持超过1 MPa的拉伸强度、约1200%的伸长率和150 kPa的刚度（图3C）。它在循环拉伸和压缩中表现出更大的滞后，意味着因牺牲键而增加了能量耗散，但仍能快速恢复。该凝胶表现出优异的弹性，可以轻松打结和扭曲，并能抵抗锋利手术刀的切割（图3B，E）。与已报道的所有纯DNA水凝胶乃至许多DNA杂化水凝胶和生物聚合物水凝胶相比，E-Gel和E-Mg-PEG-Gel在刚度、韧性、极限强度等多个机械性能指标上实现了数量级的提升（图3F-H）。

图3：E-Mg-Gel和E-Mg-PEG-Gel的制备及机械性能。 （A）通过添加二价阳离子和适度化学交联制备E-Mg-Gel和E-Mg-PEG-Gel。 （B）E-Mg-PEG-Gel可以被扭曲和打结，同时能抵抗锋利手术刀的切割。 （C）不同样品在单轴拉伸下的应力-应变曲线。 （D）E-Mg-PEG-Gel的拉伸-松弛应力-应变曲线显示，由于额外的牺牲键而存在滞后。插图：水凝胶的变形恢复动力学。约85%的能量耗散能力在卸载后立即恢复，其余部分遵循单指数动力学恢复，速率常数k1为0.051 s⁻¹。 （E）不同样品在压缩测试下的应力-应变曲线。 （F-H）E-Gel、E-Mg-PEG-Gel、常规生物聚合物水凝胶及已报道缠结水凝胶的刚度与极限拉伸强度（F）、极限拉伸强度与韧性（G）、压缩模量与压缩强度（H）的Ashby图。所用数据总结于补充表3-4。

FaSIE过程与3D打印技术完美兼容，可用于制造高分辨率的复杂DNA水凝胶结构。浓缩的DNA墨水具有高粘度和剪切变稀特性，适合挤出式打印。打印后的结构经过AA/TX快速处理，在保持形状的同时发生均匀收缩，将丝径从约647微米显著减小至约66微米，实现了微米级的分辨率，这在基于挤出的水凝胶3D打印中属于顶尖水平，也是DNA 3D打印从未达到的精度（图4A-D，F）。相比之下，基于化学交联的后处理打印则因凝胶过程耗时而难以维持形状（图4E）。

此外，FaSIE过程易于整合多种功能组分。例如，将Fe₃O₄纳米颗粒与DNA溶液混合后经FaSIE处理，可制得磁性DNA水凝胶。利用此技术，研究人员制作了一个磁性软机器人，它能够在磁场控制下进行定向移动并抓取物体（图4G）。该水凝胶还保留了DNA材料固有的序列特异性杂交能力，可用于荧光探针的稳定整合，并展现出良好的生物相容性。值得注意的是，FaSIE策略不仅适用于鲑鱼精子DNA，在牛胸腺DNA等其他长链生物质DNA，以及海藻酸钠、透明质酸钠和羧甲基纤维素等其他长链生物聚合物中也展现出增强机械性能的普适潜力。

图4：生物质DNA水凝胶的高分辨率3D打印及功能化。 （A）高分辨率3D打印DNA框架的照片。 （B）3D打印DNA框架的超景深显微镜图像和（C）SEM图像。 （D）FaSIE处理前后丝径的比较。数据以n=6个重复（独立样本）的平均值±标准差表示。 （E）通过基于FaSIE的高分辨率3D打印（E-Gel 3D打印）和基于传统化学交联的3D打印（C-Gel 3D打印）打印的各种结构。 （F）横向和轴向的统计收缩因子。数据以n=5个重复（独立样本）的平均值±标准差表示。 （G）磁性DNA软机器人的制备。（i）将未功能化的DNA溶液和混合了磁性纳米颗粒的DNA溶液分别填充到模具中，随后的FaSIE过程得到一整块作为磁性抓手的复合水凝胶。（ii）磁性抓手可通过磁铁控制以抓取物体。

这项研究确立的快速收缩诱导缠结（FaSIE）策略，成功制造出完全由生物质DNA构成的高强韧水凝胶。该方法巧妙地利用快速脱水动力学和DNA的超长链特性，协同构建了高密度缠结网络，使DNA水凝胶的机械性能实现了历史性跨越。结合后稳定化处理和功能化集成，该材料在生物医学、软体机器人和高精度制造等领域展现出广阔前景。更重要的是，FaSIE现象并非DNA独有，这为增强多种长链生物聚合物基材料的机械强度提供了一个强有力的通用工具，极大地丰富了生物大分子工程学的工具箱，有望推动DNA与蛋白质、多糖并列，成为一类新型的可持续生物质材料资源。