Itamar Willner教授Acc. Chem. Res.最新综述：基于DNA的刺激响应水凝胶：从基本原理到应用

【引言】

核酸的碱基序列将结构和功能信息引入到DNA生物基聚合物中。如金属离子、pH、光或添加的核酸燃料链等外部刺激可以提供触发条件来可逆转换核酸结构，如金属离子桥接双链体、单链、三链核酸、G-四链体或寡核苷酸的程序化双链杂交体。信号触发的寡核苷酸结构已广泛应用于开发可转换的DNA纳米结构和DNA机器，并且这些刺激响应的组件为快速发展的DNA纳米技术领域提供了功能支架。刺激响应水凝胶在遭受信号触发时的凝胶-溶胶转变或信号控制的刚性变化的特性使得其可以作为功能性基质应用于药物输送、可转换机械性能的材料、致动器、传感和信息处理智能材料等领域。刺激响应寡核苷酸与水凝胶的结合提供了多种手段来开发编码在核酸序列中的功能性信息，从而产生具有可转换结构和物理化学性质的刺激响应水凝胶。

近日，来自以色列耶路撒冷希伯来大学的Itamar Willner教授(通讯作者)等人在Accounts of Chemical Research期刊上发表了题为“Stimuli-Responsive DNA-Based Hydrogels: From Basic Principles to Applications”的综述，详细介绍了作者实验室对刺激响应性DNA水凝胶的研究的最新进展。除了使用核酸作为通用的触发器“工具箱”来组装刺激响应水凝胶作为新功能材料外，还介绍了这些系统的新型应用。

综述总览图

1.简介

DNA碱基序列除了作为在遗传信息载体和合成蛋白质的翻译代码中起到关键作用外，通过过去二十年的研究，DNA作为功能材料在化学、物理学、计算机科学和医学方面有了长足的进展。DNA中的碱基序列将大量结构和功能信息编码进入生物聚合物。除了由互补碱基对形成的Watson-Crick双链螺旋之外，还有各种其它DNA结构，例如pH驱动的C-G•C⁺或T-A•T三链体。这些不同的结构可以通过它们各自的反向信号解离。除了这些结构模体外，DNA还有进一步序列命名的功能。寡核苷酸的序列指定的结构和功能性质使其作为功能材料应用于程序化DNA结构的组装，DNA开关和DNA机器等。现有研究已经证明了DNA和DNA杂化系统的结构和功能特性在传感，药物递送和纳米装置制造等方面的应用。

水凝胶代表由高度交联的亲水性聚合物网络吸收大量水溶胀后组成的一类材料。许多水凝胶由天然或合成的交联基质组成。刺激响应性水凝胶代表了该领域中的一个重要分类；不同的外部触发因素如pH、光、温度、氧化还原反应或化学触发已经用于诱导可逆的水凝胶-溶液或水凝胶-固体的转变。刺激响应水凝胶在传感、材料分离、可控释放和催化等方面具有不同的应用。用于可逆切换DNA单元结构和寡核苷酸独特识别功能的触发器表明刺激响应性DNA单元交联聚合物基质可以作为设计基于DNA的刺激响应水凝胶的通用手段。

2.刺激响应DNA水凝胶的制备

两种通用方法用于组装刺激响应性DNA水凝胶。第一种策略是通过多齿DNA单元交联形成全DNA水凝胶，可以包括在交联网络刺激响应性组分中。尽管已经报道了全DNA水凝胶的一些应用，例如，水凝胶亚单位通过荧光核酸稳定的Ag⁺纳米簇的交联，但是由全DNA作为功能材料组成的刺激响应水凝胶的效益由于核酸成分的成本而受到限制。解决与全DNA刺激响应核酸基水凝胶相关不足的第二种方法主要是将功能性核酸与聚合物链如聚丙烯酰胺相连接，如图1所示。根据这种方法，在合适触发剂的存在下，交联功能性核酸修饰的聚合物链形成刺激响应水凝胶。水凝胶系统在受到反向触发时又会使得核酸交联单元解离得到聚合物溶液。图1主要展示了刺激响应性丙烯酰胺-DNA水凝胶的几个例子。图1A所示，在第一个例子中，丙烯酰胺链用丙烯酸核酸修饰，显示出自身互补性和内部C-C不匹配。尽管自互补碱基的数量不足以产生稳定的交联水凝胶结构，但是通过添加Ag⁺形成C-Ag⁺-C桥，协同稳定了交联单元。形成的水凝胶表现出高储能模量和低损耗模量。在水凝胶中加入半胱胺除去交联单元的Ag⁺离子，导致水凝胶解离成聚合物溶液，该循环可通过加入适当的触发剂而重复(图1B)。

G-四链体/18-冠-6-醚刺激响应的可逆丙烯酰胺水凝胶系统的研究呈现在图1C中。使用丙烯酰胺共聚物链，P_A和富含G的丙烯酰胺基核酸官能化的丙烯酰胺链组装形成可转换的水凝胶基质。当K⁺存在时，改性的聚合物链自组装成K⁺稳定的G四链体交联的水凝胶。用18-冠-6醚处理水凝胶消除G-四链体单元中的K⁺离子，导致水凝胶解离。

图1D描述了通过H₂O₂实现ABTS²⁻开/关可调节氧化，形成血红素/K⁺稳定的G-四链体交联的水凝胶(开)和其在18-冠-6-醚存在下的解离(关)。类似地，使用光异构化偶氮苯单元制备可以得到光响应性DNA基水凝胶，如图1E所示。通过低含量双丙烯酰胺交联剂交联丙烯酰胺聚合物链，P_B和P_C得到低刚度的丙烯酰胺水凝胶。聚合物P_B用顺式偶氮苯单元官能化的核酸系链修饰，聚合物链P_C包括互补系链。通过将反式偶氮苯单元逆向光异构化为顺式异构体状态(λ= 365nm)，双链体桥连单元分离产生低刚性的水凝胶，同时，系统可以再次在较高刚度(较低体积)和较低刚度(较高体积)之间循环(图1F)。

图1 水凝胶的制备及刺激响应

(A) 聚丙烯酰胺/核酸刺激响应水凝胶的合成，在Ag⁺离子和半胱胺作为触发剂的条件下实现循环水凝胶-溶液转变
(B)  Ag⁺离子/半胱胺触发的丙烯酰胺水凝胶的流变表征
(C) 催化可切换的血红素/G-四链体HRP-模拟DNAzyme水凝胶的合成
(D) 循环ON/OFF激活血红素/G-四链体功能化水凝胶的催化功能
(E) 光诱导的可逆水凝胶-溶液的转变
(F) 光响应DNA基水凝胶体积变化

3.刺激响应DNA水凝胶应用

3.1 热敏性DNA基刺激响应水凝胶

通过两个信号触发基于刺激响应核酸的水凝胶的能力使得能够在多个输入和条件下控制可逆的水凝胶-溶胶转变和刺激指定的体积转变。聚(N-异丙基丙烯酰胺)，pNIPAM，在32^oC下可以实现可逆的水凝胶和固体过渡的热敏性聚合物。与仅具有可逆的凝胶到固体转变的共价交联的pNIPAM水凝胶相反，DNA功能化pNIPAM可以在溶液-水凝胶-固态可逆转变。如图2A所示，使用富含丙烯酰胺胞嘧啶的系链官能化的NIPAM链。在pH=7.5时，聚合物以溶液状态存在；系统酸化至pH = 5.2，富含胞嘧啶的系链构型成i-模体单元，交联pNIPAM链形成水凝胶。通过中和系统酸性，可使i-模体交联解离，变成溶液状态，并且在pH=7.5和pH=5.2时系统的循环处理显示溶液和水凝胶状态之间的可逆过渡(图2B)。将水凝胶基质加热至45^oC将水凝胶转变成收缩的固体，同时将固体冷却至25^oC导致水凝胶溶胀恢复(图2B)。相似的转变通过Ag⁺离子交联核酸功能化的pNIPAM共聚物链，诱导形成系链间的C-Ag⁺-C桥连双联体。所得水凝胶在加热至45^oC时转变为固体状态，并在用半胱胺处理时解离为溶液状态(图2C)。

图2 热敏性DNA基刺激响应pNIPAM水凝胶的合成

3.2 药物控释

刺激响应性DNA水凝胶的进一步应用包括使用功能水凝胶作为传感和控释基质。此类系统的代表性实例包括通过聚合物链与核酸适体或金属离子依赖性DNA酶/底物复合物交联而产生的水凝胶，这些已经被用于感测蛋白质，例如凝血酶，或金属离子。信号触发水凝胶向溶液相的转变也提供了释放水凝胶负载分子的通用手段。水凝胶通过DNA酶触发器的循环溶解用于释放酶负载和激活酶级联(图3)。将三种酶，β-半乳糖苷酶(β-Gal)，葡萄糖氧化酶(GOx)和HRP装载在由三种不同的金属离子依赖性DNA酶/底物交联的三种不同的刺激性丙烯酰胺DNA水凝胶中(图3A)。β-Gal固定在由Zn²⁺依赖性DNA酶稳定的水凝胶中，GOx被Mg²⁺依赖性DNA酶固定，HRP被Cu²⁺依赖性DNA酶固定。在乳糖作为底物和ABTS^2-的存在下，并且在加入所有三种金属离子Zn²⁺，Mg²⁺和Cu²⁺后，三个酶级联被活化(图3B)。得到的着色ABTS^-提供生物催化级联的读出信号(图3C)。

图3 通过三种不同水凝胶的金属离子解离激活三酶催化级联

3.3 形状记忆系统

刺激响应性DNA水凝胶可以作为功能材料来定制形状记忆系统。多种触发器可逆重构核酸结构为设计形状记忆DNA水凝胶基质提供了丰富的方法，如图4A所示显示了pH响应形状记忆水凝胶的合成。将无定形聚合物溶液在三角形模具中调节至酸性pH(pH=5.0)，得到通过双链体11/11和i-模体交联10/10协同稳定的水凝胶。该水凝胶通过循环pH刺激可以实现成型水凝胶和无形状准液态之间的可逆转变(图4B)。

通过这种刺激触发形状记忆DNA水凝胶的概念来发展通过其他刺激触发的不同形状记忆水凝胶，例如pH触发的C-G•C⁺或T-A•T三重桥，K⁺稳定的G-四链体/Kryptofix [2.2.2]或Ag⁺稳定的C-Ag⁺-C-桥接/半胱胺。图4C举例说明了K⁺离子/冠醚触发的形状记忆水凝胶的组装。如图4D，通过G-四链体单元与冠醚的分离诱导定形和无定形状态的循环转变，而K⁺离子的再加成使G-四链体桥再生从而恢复成形水凝胶。形状记忆DNA水凝胶的概念进一步扩展到组装杂化形状记忆水凝胶，允许定向触发，目标在杂化水凝胶结构内的可逆转变，横跨定形水凝胶和无定形液体相。

图4 pH响应形状记忆丙烯酰胺-DNA水凝胶

(A) pH响应形状记忆丙烯酰胺-DNA水凝胶的合成
(B) 循环pH诱导系统在三角形水凝胶和准液态无定形态间转变
(C) 通过G-四链体和双链桥接单元协同稳定的丙烯酰胺-DNA水凝胶的合成和形状记忆性质
(D) 分别用K⁺和冠醚处理时，成形三角形水凝胶和无定形准液态之间循环转变

上述这种组装概念在图5中通过三臂箭头结构的组装为例呈现。所有三个箭头包括自互补双链DNA桥14/14作为水凝胶桥连单元，使其成为从刚性水凝胶到无定形准液态的任何转变的永久记忆。图5B描绘了使用链24/25作为域间桥的边缘交联将三个箭头结构在模具中的逐步组装。将三个箭头结构施加到相应的燃料/反燃料链以及适当的pH使得臂在成形和无形状态之间循环变换，如图5C所示。

图5 水凝胶组装及形态转变

(A,B) 三个箭头形状的杂化水凝胶结构的组装示意图
(C) 在适当触发的存在下，区域可控的凝胶-准液体转变

基于DNA的形状记忆水凝胶的概念通过设计由两个正交触发器触发的形状记忆水凝胶而得到进一步开发(图6)。在这些系统中，成形的水凝胶通过两个协同模体交联。一个交联元件包括自互补桥接器，并且第二交联单元通过两个不同的正交触发器分离和恢复。图6A描绘了由pH和Ag⁺离子作为正交触发的形状记忆水凝胶。通过循环使用pH或Ag⁺/半胱胺作为正交触发，水凝胶在成形水凝胶和无定形准液态之间可逆转化(图6B)。相类似的系统使用Pb²⁺或Sr²⁺离子作为正交触发器用于构建基于双链体(永久记忆)和G-四链体作为稳定成形水凝胶结构的协同交联单元的形状记忆水凝胶(图6C,D)。

图6 使用两个正交触发器激活形状记忆水凝胶，使其在成形水凝胶和准液态之间循环和可逆转换

3.4 刺激响应水凝胶薄膜涂层

水凝胶在表面上的沉积，特别是刺激响应性水凝胶，可以促进水凝胶装置的发展。杂交链式反应(HCR)过程作为在表面上组装薄刺激响应水凝胶的通用方法而被广泛使用。该反应包括使用启动子核酸引发的两个发夹H_A和H_B的交叉开放，其中启动子打开H_A以产生用于打开H_B的单链toehold，并且继而产生H_B-打开的产物包括打开发夹H_A的toehold区域。发夹结构的交叉开口被用于交联核酸官能化的丙烯酰胺链，以在表面上产生刺激响应的水凝胶膜(图7A)。由于桥连水凝胶包括游离的富含G的系链，这些链在K⁺离子的存在下组装成G-四链体，其协同地稳定水凝胶，产生刚性的水凝胶。用18-冠醚-6醚处理膜从基质中除去K⁺离子，得到刚性降低的水凝胶膜。微压痕实验遵循水凝胶膜在刚性状态和低刚性状态之间循环过渡(图7B)。血红素与G-四链体单元的结合产生了用于还原H₂O₂的电催化单元，因此通过在电极表面上组装血红素/G-四链体官能化的水凝胶薄膜，以及随后冠醚刺激血红素/G-四链体的分离，证明了H₂O₂的循环开/关电催化还原(图7C)。

图7 水凝胶薄膜的制备及应用

(A) 使用HCR在Au涂覆的表面上组装G-四联体刺激响应性水凝胶薄膜
(B) 在冠醚存在下，通过K⁺稳定的G-四链体交联水凝胶以及其解离实现水凝胶膜的刚性可控
(C) 通过血红素/G-四链体刺激触发控制H₂O₂电催化还原

3.5 水凝胶微胶囊

用刺激响应水凝胶基质涂覆表面可以得到用于触发药物释放的刺激响应水凝胶微胶囊。微米级厚度的刺激响应丙烯酰胺-DNA水凝胶膜的沉积已经被用于合成基板负载的刺激性水凝胶微胶囊，以pH响应水凝胶微胶囊的制备进行举例说明(图8A)。负载CaCO₃微粒基板使用聚丙烯胺盐酸盐和聚丙烯酸层涂覆。水凝胶涂层通过发夹H_C/H_D的交叉开放和互补双链体36/37形成的协同双链桥稳定。链36被设计成包含在酸性条件(pH=5.0)下重构成能量稳定的i-模体的胞嘧啶系链(图8B)。双链体单元36/37的分离降低了水凝胶壳的刚度，导致微胶囊壳的渗透性增强以及基质中物质的释放。图8C描述了封装在微胶囊中的化疗药物阿霉素在pH = 5.0的时间依赖性释放。同时，作者发现刺激响应DNA交联的丙烯酰胺微胶囊表现出几种不同的性质：(i) 微胶囊的壳维持其储层边界，并且在适当刺激存在下，可以在刚性和准液态之间可逆转换；(ii) 低分子量或大分子负载(例如酶)不会扩散穿过硬壳到本体溶液，而是自由渗透通过准液体壳。因此，刺激响应DNA基丙烯酰胺水凝胶微胶囊是对功能性微载体例如聚合物囊泡或微凝胶的一个补充。但是，与允许低分子量底物自由进出渗透和抑制大分子负载扩散的这些系统不同，刺激响应DNA基微胶囊表现出可控制渗透的开/关。这些特征代表了基于DNA的微凝胶在未来医疗应用具有其特有的优势。

图8 水凝胶微胶囊制备及应用

(A) 基板负载pH响应丙烯酰胺-DNA水凝胶微胶囊的合成
(B) 通过将水凝胶交联元件之一重构成i-模体单元，实现pH诱导微胶囊壳流动性的增强，达到载体pH可切换释放
(C) 在(a)pH=7.2和(b)pH=5.0时，pH响应微胶囊中阿霉素修饰的葡聚糖的时间依赖性释放，以及不同pH值对荧光负荷释放的影响

【结论与展望】

可转换核酸结构的丰富的“工具箱”提供了大量手段来构建刺激响应水凝胶，通过可逆水凝胶-溶液相的转换来组装形状记忆水凝胶，并设计具有可控刚性的水凝胶。这种刺激响应DNA基水凝胶可以作为功能基质在可控药物输送、传感和信息储存等方面具有不同应用。尽管在研究基于DNA的刺激响应水凝胶方面取得了大量进展，但仍然有许多挑战亟待解决。例如，设计光或氧化还原反应触发的性能可控水凝胶用于新的电催化或光催化材料。此外，纳米材料(金属或半导体纳米粒子或纳米棒)或碳材料(碳纳米管/石墨烯)与刺激响应性水凝胶的结合可制备得到刚性可控的杂化基质，例如限制细胞生长的界面。另外，寡核苷酸通过碱基对互补，金属离子或pH驱动桥接形成双链体或三链体的固有性质提供了开发自愈合水凝胶的手段。最后，用于可控释放(例如药物，香料，食品添加剂)的刺激响应性水凝胶微胶囊的广泛应用也是重要的发展方向。

文献链接：Stimuli-Responsive DNA-Based Hydrogels: From Basic Principles to Applications(Acc. Chem. Res.,2017, DOI: 10.1021/acs.accounts.6b00542)

本文由材料人高分子材料组watermelon供稿，材料牛整理编辑。

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