照亮改进生物材料的道路

麦吉尔大学的研究人员认为，他们已经找到了一种改进生物材料开发的方法，这些材料可能有助于药物输送、组织再生、纳米光学和纳米电子学。

该团队由化学系 DNA 纳米科学正教授兼加拿大一级研究主席 Hanadi Sleiman 领导，开发了一种方法，其灵感来自大自然修复缺陷材料的方式，以创造更坚固的形式。他们使用来自智能手机相机的辐射来“放松”基于 DNA 的结构，并创造出栩栩如生的材料，这些材料可以按需变化并用于各种目的。

你打算回答什么问题?

我们感兴趣的是是否有可能开发出新的化学程序，以更好地模拟自然过程，并创造出可用于材料科学和组织工程的具有多样和可塑性结构的栩栩如生的生物材料。大自然使用能量的不断输入和转换来调节其化学系统的形式和功能。在胶原蛋白等组织中，这种能量转换导致纤维具有不同的特性，从而导致其弹性和坚固性发生变化。相比之下，人造纤维是使用静态制造程序制造的，不提供这些动态行为，因此难以调节其性能。

在这项研究中，我们试图将超分子 DNA 纤维与光响应小分子配对，以类似于自然如何控制生物组织功能的方式将动态引入这些结构。由于其可预测的组装和分子识别特性，DNA 是一种有吸引力的构建材料，用于生成新的纤维结构。它还具有固有的动态性，使其成为生产具有可调特性的生物相容性材料的理想选择。

你发现了什么?

当这些成分在室温下混合时，它们会组装成 DNA 三螺旋，这些螺旋会结合成微米长度的纤维，然后相互连接并长成大而缠结的网络。这些架构具有结构缺陷，限制了它们在材料科学和组织工程应用中的实用性。

为了解决这个问题，我们使用光化学系统来调节基于 DNA 的结构的组装，并开发了一种程序，在智能手机相机的照射下，纤维被分解，然后将单个 DNA 链隔离成高能量的双链 DNA。当灯关闭时，DNA 链从它们的高能量储存库中缓慢释放，纤维重新组装。

我们发现，随着这种高能量松弛的发生，最初的互锁产品并没有被改造：相反，单根纤维彼此平行聚集，产生了具有改进机械性能和更高热稳定性的厚“纳米电缆”。

通过采用我们的光化学方法，聚合的组装途径被改变，影响局部纤维结构。使用我们的策略形成的纤维比没有循环激活生长的纤维具有更少的结构缺陷。因此，我们更“完美”的单根纤维不会发生分支，而是被鼓励沿着它们的聚合轴聚集，从而产生坚固且有组织的电缆。

为什么结果很重要?

这项工作的进展之一是开发了新的表征方法(与 Gonzalo Cosa 教授的实验室合作)以了解单纤维水平的组装。虽然单分子荧光技术已广泛用于研究生物系统，但这项研究标志着对超分子聚合的不同机制的首次直接观察，以及为探测超分子聚合物的异质性而开发的第一个光学分析。

我们预计这些新方法将广泛适用于天然和合成材料的研究，并可能为了解大自然如何控制其功能组织的特性提供重要见解，从而使科学家能够生产出更具动态性和可调性的材料。

当我们发现材料中的缺陷时，我们可以将其拆解并改变其重新组装的途径以改进结构。这产生了更坚固的生物材料，可用作细胞生长、组织再生和纳米材料组织的支架。

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