動態(tài)交聯(lián)凝膠提供了依賴于時間的力學響應，在短時間內具有剛性結構，但在長時間內具有流動性，在對于需要時間依賴性的機械響應應用具有很強的吸引力。這些凝膠獨特的物理性質歸因于在凝膠中橋接聚合物鏈的交聯(lián)劑的反復斷裂和重組。由于其優(yōu)異的序列定位能力和鍵能的靈活可調性，DNA雙鏈是構建此類凝膠的理想交聯(lián)劑。然而，盡管DNA具有很高的潛能，但大多數DNA凝膠的機械反應是復雜和不可預測的，在制備具有按需粘彈性的DNA凝膠方面仍存在挑戰(zhàn)。
北海道大學李響課題組通過雜交四臂聚乙二醇(PEG)與預模擬DNA序列的DNA鏈，制備了一種星型聚合物-DNA動態(tài)交聯(lián)凝膠。熔融曲線分析表明，DNA交聯(lián)劑的熱力學勢與預模擬值有良好的對應關系。應力-松弛試驗和解離動力學測量表明，凝膠的宏觀松弛時間約等于DNA交聯(lián)劑的壽命，涵蓋0.1- 2000秒四個數量級。此外，一系列的耐久性測試發(fā)現，DNA凝膠在反復施加溫度和機械刺激后具有無滯后性和自修復性。這些結果首次證實了DNA雙鏈作為可預測和可調的交聯(lián)劑用于制備動態(tài)交聯(lián)凝膠的高潛力，適用于應力響應細胞外基質、可注射固體和軟機器人等應用。該研究以題為“Star-Polymer-DNA Gels Showing Highly Predictable and Tunable Mechanical Responses”發(fā)表在最新一期的《Advanced Materials》上。作者設計了一對小的互補DNA序列，通過測量DNA溶液在不同溫度下的紫外吸收來評估DNA雙鏈的真實解離曲線。實際解離曲線與模擬曲線吻合較好，驗證了所建立的DNA熱力學數據庫在預測實際行為方面具有較高的準確性。通過改變寡核苷酸的序列和長度，可以在~5°C到~90°C的范圍內靈活調節(jié)熔融溫度。為了保證DNA雙鏈在生理條件下(~37°C, pH 7.4)的穩(wěn)定性，將熔融溫度設置為63°C左右。確認了寡聚體DNA的性能后，將這些寡聚體鏈與四臂聚乙二醇(4arm-PEG)結合，制備了兩種具有互補序列的星型聚合物-DNA前體。兩個前體的混合溶液在高溫下將保持在液相中，在低溫下形成凝膠，分別對應于DNA雙鏈的解離和DNA鏈的結合。將兩種前體在試管中溶于PBS，熱水浴后冷卻至室溫即形成一種透明的水凝膠。在DNA雙鏈熔融溫度(~63°C)以上或以下加熱冷卻，凝膠呈現重復的溶膠-凝膠轉變。通過向凝膠中加入少量雙鏈敏感的熒光染料，觀察到在凝膠中有綠色熒光，在溶膠中綠色熒光消失，證實了凝膠中DNA雙鏈的形成和解離。通過測量凝膠的熔融曲線對交聯(lián)程度進行定量分析，加熱凝膠后，UV吸光度在55°C時開始增加，在75°C時達到平臺，表明DNA雙鏈體在高溫下解離。且熔融曲線與相同濃度的純DNA溶液的熔融曲線一致，表明低聚DNA的熱力學行為不受凝膠網絡形成的干擾。重復加熱和冷卻程序至少六次，未觀察到機械性能的任何滯后現象。通過重復相同的斷裂和恢復試驗至少十個循環(huán)，觀察了凝膠的即時自愈，G'的恢復率幾乎為100%，表明凝膠的斷裂選擇性地發(fā)生在DNA雙鏈上。用小角中子散射（SANS）對星形聚合物-DNA水凝膠的納米結構進行了評估。隨溫度升高，恒定的峰位表明前體中的PEG聚合物以恒定的距離彼此分離，與交聯(lián)率無關，這表明星形聚合物-DNA凝膠的凝膠網絡高度均勻。單序列前體溶液的散射曲線與凝膠在所有溫度下的散射曲線相同，證實在凝膠化過程中沒有形成異質結構。峰高的差異歸因于不同溫度下PEG聚合物和水分子之間能量相互作用的變化。當聚合物和溶劑之間的能量相互作用參數大于0.5時，聚合物傾向于形成聚集體。然而，星形聚合物-DNA凝膠中沒有觀察到這種聚集。終止于四臂PEG末端的帶負電荷的DNA鏈可能增強了PEG在高溫下的溶解度最后評估了星形聚合物-DNA凝膠的詳細線性機械響應。使用了振蕩測試和階躍應變測試兩種不同的方法來覆蓋廣泛的測試時間范圍。使用熒光共振能量轉移（FRET）技術分別監(jiān)測DNA雙鏈的相應微觀解離動力學。另一方面，對于超過10秒的機械響應松弛，使用階躍應變測試。在當溫度相差10℃時，星形聚合物-DNA凝膠的應力松弛時間變化超過兩個數量級。如此強的粘彈性特性的溫度依賴性在其他動態(tài)交聯(lián)凝膠中從未報道過。綜上所述，這項工作展示了一種具有高度可預測的機械行為的均質DNA凝膠，它以一對呈現雙態(tài)轉變的DNA序列作為動態(tài)交聯(lián)劑。形成的凝膠對溫度和力等多種刺激有反應，而且是自我愈合和無滯后的。結合完善的DNA熱力學和動力學數據庫，將能夠制造出具有按需粘彈性特性的DNA凝膠。這種高度可預測和可調的星形聚合物-DNA凝膠可以促進對動態(tài)交聯(lián)凝膠的基本理解和應用。
來源：高分子科學前沿
