动态交联凝胶提供了依赖于时间的力学响应，在短时间内具有刚性结构，但在长时间内具有流动性，在对于需要时间依赖性的机械响应应用具有很强的吸引力。这些凝胶独特的物理性质归因于在凝胶中桥接聚合物链的交联剂的反复断裂和重组。由于其优异的序列定位能力和键能的灵活可调性，DNA双链是构建此类凝胶的理想交联剂。然而，尽管DNA具有很高的潜能，但大多数DNA凝胶的机械反应是复杂和不可预测的，在制备具有按需粘弹性的DNA凝胶方面仍存在挑战。
北海道大学李响课题组通过杂交四臂聚乙二醇(PEG)与预模拟DNA序列的DNA链，制备了一种星型聚合物-DNA动态交联凝胶。熔融曲线分析表明，DNA交联剂的热力学势与预模拟值有良好的对应关系。应力-松弛试验和解离动力学测量表明，凝胶的宏观松弛时间约等于DNA交联剂的寿命，涵盖0.1- 2000秒四个数量级。此外，一系列的耐久性测试发现，DNA凝胶在反复施加温度和机械刺激后具有无滞后性和自修复性。这些结果首次证实了DNA双链作为可预测和可调的交联剂用于制备动态交联凝胶的高潜力，适用于应力响应细胞外基质、可注射固体和软机器人等应用。该研究以题为“Star-Polymer-DNA Gels Showing Highly Predictable and Tunable Mechanical Responses”发表在最新一期的《Advanced Materials》上。作者设计了一对小的互补DNA序列，通过测量DNA溶液在不同温度下的紫外吸收来评估DNA双链的真实解离曲线。实际解离曲线与模拟曲线吻合较好，验证了所建立的DNA热力学数据库在预测实际行为方面具有较高的准确性。通过改变寡核苷酸的序列和长度，可以在~5°C到~90°C的范围内灵活调节熔融温度。为了保证DNA双链在生理条件下(~37°C, pH 7.4)的稳定性，将熔融温度设置为63°C左右。确认了寡聚体DNA的性能后，将这些寡聚体链与四臂聚乙二醇(4arm-PEG)结合，制备了两种具有互补序列的星型聚合物-DNA前体。两个前体的混合溶液在高温下将保持在液相中，在低温下形成凝胶，分别对应于DNA双链的解离和DNA链的结合。将两种前体在试管中溶于PBS，热水浴后冷却至室温即形成一种透明的水凝胶。在DNA双链熔融温度(~63°C)以上或以下加热冷却，凝胶呈现重复的溶胶-凝胶转变。通过向凝胶中加入少量双链敏感的荧光染料，观察到在凝胶中有绿色荧光，在溶胶中绿色荧光消失，证实了凝胶中DNA双链的形成和解离。通过测量凝胶的熔融曲线对交联程度进行定量分析，加热凝胶后，UV吸光度在55°C时开始增加，在75°C时达到平台，表明DNA双链体在高温下解离。且熔融曲线与相同浓度的纯DNA溶液的熔融曲线一致，表明低聚DNA的热力学行为不受凝胶网络形成的干扰。重复加热和冷却程序至少六次，未观察到机械性能的任何滞后现象。通过重复相同的断裂和恢复试验至少十个循环，观察了凝胶的即时自愈，G'的恢复率几乎为100%，表明凝胶的断裂选择性地发生在DNA双链上。用小角中子散射（SANS）对星形聚合物-DNA水凝胶的纳米结构进行了评估。随温度升高，恒定的峰位表明前体中的PEG聚合物以恒定的距离彼此分离，与交联率无关，这表明星形聚合物-DNA凝胶的凝胶网络高度均匀。单序列前体溶液的散射曲线与凝胶在所有温度下的散射曲线相同，证实在凝胶化过程中没有形成异质结构。峰高的差异归因于不同温度下PEG聚合物和水分子之间能量相互作用的变化。当聚合物和溶剂之间的能量相互作用参数大于0.5时，聚合物倾向于形成聚集体。然而，星形聚合物-DNA凝胶中没有观察到这种聚集。终止于四臂PEG末端的带负电荷的DNA链可能增强了PEG在高温下的溶解度最后评估了星形聚合物-DNA凝胶的详细线性机械响应。使用了振荡测试和阶跃应变测试两种不同的方法来覆盖广泛的测试时间范围。使用荧光共振能量转移（FRET）技术分别监测DNA双链的相应微观解离动力学。另一方面，对于超过10秒的机械响应松弛，使用阶跃应变测试。在当温度相差10℃时，星形聚合物-DNA凝胶的应力松弛时间变化超过两个数量级。如此强的粘弹性特性的温度依赖性在其他动态交联凝胶中从未报道过。综上所述，这项工作展示了一种具有高度可预测的机械行为的均质DNA凝胶，它以一对呈现双态转变的DNA序列作为动态交联剂。形成的凝胶对温度和力等多种刺激有反应，而且是自我愈合和无滞后的。结合完善的DNA热力学和动力学数据库，将能够制造出具有按需粘弹性特性的DNA凝胶。这种高度可预测和可调的星形聚合物-DNA凝胶可以促进对动态交联凝胶的基本理解和应用。
来源：高分子科学前沿
