Small:软体驱动器新进展——基于动态DNA响应结构的仿生智能水凝胶驱动器

自适应智能形变现象在自然界中无处不在,对生物体维持各种复杂的生命活动至关重要。在瞬息万变、危机重重的生存环境中,大多数的生物能够动态地发生形变以适应环境、生存繁衍。受自然界应激响应性形变的启发,科学家们巧妙地设计了多种仿生智能驱动器用以模仿甚至超越生物体的驱动行为。脱氧核糖核酸(DNA)作为生命体系的遗传分子,具有可编码性和功能结构丰富的特点。通过合理的序列设计以及多样化的修饰, 可以在水凝胶中引入对不同类型刺激特异性响应的功能DNA结构, 从而得到具有高精准度形变可控性的智能响应性DNA水凝胶,特别适合构建软体驱动器。

南开大学化学学院郭玮炜课题组利用分步光聚合法构筑了丙烯酰胺/DNA杂化水凝胶双层薄膜驱动器,并对它们的驱动行为进行了详细的阐述。他们借助于逐步光刻技术,制备了图案化的非对称双层形变水凝胶薄膜,其中以非响应性的聚丙烯酰胺水凝胶作为被动层,以具有DNA功能响应结构的聚丙烯酰胺/DNA杂化水凝胶作为主动层。通过响应性DNA功能交联结构的可逆形成与解离使薄膜驱动器展现出大幅度的、快速的和宏观可逆的形变。以pH 响应的丙烯酰胺/DNA双层杂化水凝胶薄膜作为模型驱动器,在主动层中引入富含胞嘧啶的序列,通过改变环境的pH控制 DNA i-motif 交联结构的形成和解离,使主动层的交联密度发生变化,引起双层薄膜结构内部应力的重新分配,导致体系呈现pH调控的宏观可逆形变。双层薄膜由最初的满月状转变为新月状,弯曲角由320°转变为150°,且此过程循环可逆。鉴于DNA 具有可编码的丰富的功能响应结构,他们进而设计了金属离子/配体响应的双层薄膜驱动器,在主动层中引入Ag+/半胱氨酸响应的DNA 交联结构,借助胞嘧啶碱基与Ag+离子能够形成C-Ag+-C结构和半胱氨酸对Ag+离子的竞争络合作用,体系亦能展现出优异的由Ag+离子和半胱氨酸驱动的形变行为,双层薄膜可在半圆形和微弯的弧形间发生可逆转变。

此项研究充分利用了DNA 材料精确的可编码性以及丰富的功能结构构建了新型的可逆形变的DNA水凝胶薄膜驱动器。研究者相信,该研究将会进一步推动基于生物分子特别是核酸的软体驱动器的发展,并为未来的智能生物传感器、软体机器人、柔性电子器件以及微型生物医疗设备的研究提供新的器件和思路。相关论文“Smart Bilayer Polyacrylamide/DNA Hybrid Hydrogel Film Actuators Exhibiting Programmable Responsive and Reversible Macroscopic Shape Deformations”在线发表在 Small杂志(DOI: 10.1002/smll.201906998)上。