【摘要】
在合成聚合物水凝膠中使用DNA作為構建塊保證了在溶膠/凝膠溫度、可調鍵壽命、生物相容性以及與生物成分（例如酶、細胞和生長因數）的相互作用方面的高度可程式設計性。然而，大規模資料的可擴展性和定量結構-效能關係仍然難以實現。
基於美因茨大學Andreas Walther教授團隊最近推出的可擴展的一鍋液相寡核苷酸合成到星形聚（乙二醇）（PEG）上的DNA，團隊最近又報告了基於starPEG-DNA偶聯物的水凝膠以及可調雙鏈雜交長度的二價DNA接頭.通過系統地改變雙鏈熔融溫度、鹽度和構建塊濃度等參數，團隊建立了這種水凝膠的機械相空間。
闡明了從幾Pa到kPa範圍的可調機械效能，並討論了自愈和鍵交換的時間尺度，以及可調溶膠/凝膠轉變溫度。這些全面的研究揭示了基於可擴展構建塊的DNA水凝膠資料的未來設計原則，由於其星形和靈活的構建塊拓撲結構，允許形成准理想網絡。此類資料可用於生物醫學和細胞培養領域。相關論文以題為Tunable and Large-Scale Model Network StarPEG-DNA Hydrogels發表在《Macromolecules》上。
【主圖導讀】
示意圖1.starPEG-DNA水凝膠形成的示意圖。如之前報導的，第一個構建塊starPEG-T20是在OP-LPOS中合成的。然後通過自動固相寡核苷酸合成合成第二個接頭結構單元。starPEG-DNA水凝膠的形成是由兩個構建塊中T20和A20突出端的雙鏈雜交觸發的。
圖1.自互補DNA接頭的設計和分析。（a）具有5-20個oligo-A延伸的自互補DNA接頭的示意圖。（b）oligo-T20/A20和回文DNA接頭鏈L/L*在150 mM NaCl+可變MgCl2鹽濃度下的熔解曲線，使用Nupack套裝軟體類比。（c）兩側具有50 bp和1 kbp DNA階梯的純化DNA接頭的AGE。加載的2 wt%瓊脂糖凝膠用Roti-Gelstain染色並在80 V下分離75分鐘。（d）脫保護和製備型HPLC純化後純化的DNA接頭鏈的分析HPLC色譜圖。
圖2.在c*≈0.75 mM時，鹽度對starPEG-T20/A20-L/L*-A20水凝膠流變學特性的影響。Mg2+濃度從0到50 mM不等，而Na+濃度保持恒定在150 mM。（a）starPEG-T20和A20-L/L*-A20形成水凝膠的示意圖。（b）0和50 mM MgCl2水凝膠的溫度掃描（f = 1 Hz，γ=6%，從50到5°C，溫度速率= 0.4°C/min）。溶膠到凝膠的交叉溫度Tco在圖中用箭頭表示。（c）不同MgCl2濃度下水凝膠的溫度掃描。（d）0和50 mM MgCl2水凝膠的頻率掃描（f = 0.001–100 Hz，γ=0.1%，10°C）。雖然含有0 mM MgCl2的水凝膠的鍵弛豫時間τ由圖中的箭頭表示（灰色曲線），但含有50 mM MgCl2的水凝膠在量測的頻率範圍內不會弛豫（藍色曲線）。（e）柱狀圖顯示了不同MgCl2濃度下水凝膠在10°C、G10°C'和Tco下儲能模量的演變。
圖3.DNA接頭强度和積木濃度對水凝膠機械效能的影響。starPEG-T20/A20-L/L*-A20和starPEG-T20/A10-L/L*-A10水凝膠是在不同的starPEG-T20濃度、高於、低於和c*（0 mM MgCl2和150 mM氯化鈉）。（a，b）使用starPEG-T20和（a）A20-L/L*-A20和（b）A10-L/L*-A10接頭形成水凝膠的示意圖概述。（c，d）在1.5、0.75和0.38 mM starPEG-T20濃度下的溫度掃描（f = 1 Hz，γ=6%，從50到5°C，溫度速率= 0.4°C/min）。（e）不同starPEG-T20濃度下G10°C'和Tco的相關性。（f，g）在1.5、0.75和0.38 mM starPEG-T20濃度下的頻率掃描（f = 0.001–100 Hz、γ=0.1%和20°C）。（h）不同starPEG-T20濃度下的鍵弛豫時間τ。
圖4.研究由starPEG-T20/A10-L/L*-A10和starPEG-T10/A10-L/L*-A10在c*≈0.75、0 mM MgCl2形成的水凝膠的機械效能。（a）溫度掃描（f = 1 Hz，γ=6%，0.75 mM≈c*，0 mM MgCl2，40至5°C，溫度速率= 0.4°C/min）。（b）頻率掃描（f = 0.001–100 Hz，γ=0.1%和20°C）。
圖5.自愈特性和凝膠穩定性。（a）starPEG-T20/A20-L/L*-A20的振幅掃描（γ=0.1–1000%，f = 1 Hz和25°C；50 mM MgCl2和150 mM NaCl）。（b）A20-L/L*-A20水凝膠的流變學特性，在固定頻率下具有6%和500%的交替應變迴圈，f = 1 Hz在25°C下隨時間繪製。水凝膠在幾輪變形後顯示完全恢復。（c）一種染色的和一種未染色的A20水凝膠的自我修復的視覺表示。大約10分鐘後，兩個水凝膠片融合成一個無缺陷的單片。（d，e）starPEG-T20/A10-L/L*-A10水凝膠耐久性隨時間的分析。（d）第1天和第85天的溫度和（e）頻率掃描。
圖6.starPEG-T20/A20-L/L*-A20水凝膠的3D列印。（a）顯示生物列印所需的墨水匣、噴嘴和活塞的3D列印設定。（b）狗骨和DNA雙螺旋結構中水凝膠的3D列印。照片顯示了凝膠在室溫（RT）下的適印性和自支撐性質。
【總結】
團隊報告了對基於帶有雙鏈接頭的starPEG-DNA構建塊的准理想模型網絡水凝膠的表徵的首次詳細研究。資料設計建立在團隊最近開發的OP-LPOS合成策略的基礎上，該策略為大規模聚合物/DNA混合資料開闢了道路。可以通過改變接頭長度和改變鹽度和構建塊的濃度來訪問廣泛的内容空間。凝膠G'值可在20 Pa至3.1 kPa範圍內調節，囙此在細胞機械感應發生的範圍內。（60-62）鬆弛時間尺度也特別可通過鹽度調節。在二價陽離子（Mg2+）存在下組裝的所有水凝膠在10°C的量測頻率範圍（f = 0.001–100 Hz）中沒有顯示弛豫時間，但在其他條件下沿寬譜發生相應變化。水凝膠的形成是堅固的，這種starPEG-DNA水凝膠的機械效能可以承受反復的加熱和冷卻迴圈，並且在水凝膠組裝幾個月後，諸如Tco和τ等效能仍能保持。
水凝膠組裝所需的構建塊、通過OP-LPOS的starPEG-T20和通過自動固相合成的DNA接頭的合成的簡便性和可擴展性，應該促進這種水凝膠作為生物資料在各種應用中的應用。囙此，該工作奠定了基礎，但包括使用適體、酶促反應片段或靶向（例如，使用更複雜的DNA接頭的應變硬化水凝膠）的更高水准反應的充分可能性似乎是可行的。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.macromol.1c00600
原文刊載於【高分子材料科學】公眾號
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