告别3D打印——DNA与水现可构建自组装微型机器

"我们现在可以建造由自组装纳米元件构成的复杂预设3D结构，相当于纳米尺度的帝国大厦，"哥伦比亚大学工程学院化学工程与应用物理及材料科学教授、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心软性及生物纳米材料组负责人冈说道。

"按需制造3D纳米材料的能力对众多新兴应用至关重要，涵盖范围从光操纵到神经形态计算，从催化材料到生物分子支架和反应器，"冈表示。

在分别于7月9日发表在《自然·材料学》和4月11日发表在《ACS纳米》的两篇论文中，冈及其同事阐述了一种通过自组装制造目标3D纳米结构的新方法，该方法可应用于多种领域，同时他们提供了一套供他人效仿的设计算法。

而这一切都基于最基础的生物分子构建模块：DNA。

一体化新材料制备平台

在微电子器件微纳加工领域，传统方法基于自上而下策略。光刻是常用技术，通过强光源和精密掩模蚀刻电路。但主流光刻技术难以处理复杂三维结构，而增材制造（俗称3D打印）尚无法实现纳米级特征加工。两种方法在工作流程上均采用逐特征串行制造，这种模式构建3D物体本质上是缓慢的过程。

受生物系统启发，冈通过DNA引导的自组装过程自下而上构建3D材料和器件。他持续优化该方法，例如通过与其他科学家合作构建其研究工作所需的微型电子器件。

两个月前，他与前学生亚伦·迈克尔森（现任布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心科学家）为明尼苏达大学的合作者交付了原型设备，这些合作者致力于在微芯片上集成3D光传感器。他们通过在芯片上生长DNA支架并覆盖光敏材料制成传感器。

该设备仅是系列成果的开端。在最新发表于《自然·材料学》的论文中，冈团队建立了从纳米级DNA组件和纳米粒子中逆向设计目标3D结构的策略。该研究展示了其"DNA折纸术"材料设计法的四项应用：由一维链与二维层构成的类晶体结构；模拟太阳能电池板常见材料的结构；螺旋状旋转的晶体；以及为哥伦比亚工程学院应用物理学教授于南方设计的光学计算机反射结构。

团队运用哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的先进表征技术（如同步辐射X射线散射和电子显微镜），证实所得结构符合设计预期，并揭示了提升结构保真度的设计考量。这些独特结构均在实验室水溶液中自主装完成。此类材料形成本质上是并行过程——组件在组装过程中同步结合，意味着相比传统方法可显著节省3D制造的工时与成本。该制造工艺亦具环境友好性，因组装过程在水中进行。

"这是适用于多种材料（生物、光学、电学、磁性）的通用平台，"冈指出。最终效果仅取决于设计本身。

简易化DNA设计

DNA具有可预测的折叠特性，因其四种核酸仅能特定配对。但当目标结构包含数百万乃至数十亿组件时，如何确定正确的起始序列？

冈团队通过逆向结构设计法攻克此难题。"若已知所需功能的大尺度结构，可将其解构为小单元，创建具备形成目标结构所需的结构、结合及功能属性的基础模块，"冈解释道。

这些基础模块是折叠成机械强度高的八面体DNA链，冈称之为"体素"，其每个角点均设有连接器以实现体素互连。通过DNA编码可设计多个体素连接成特定重复3D结构基元，如同拼图碎片构成复杂图案。这些重复基元进而并行组装，形成目标层级结构。合作者萨纳特·库马尔（哥伦比亚大学迈克尔·贝科夫斯基与查罗·冈萨雷斯-贝科夫斯基讲席化学工程教授）为冈的逆向设计法提供了计算验证。

为实现逆向设计策略，研究者须解决如何用最少量DNA纳米"拼图单元"构建目标结构。"可将其类比文件压缩。我们需要最小化信息量以实现最高效的DNA自组装，"第一作者杰森·卡恩（布鲁克海文国家实验室科学家，冈团队前博士后）阐述道。该算法被命名为MOSES（结构编码组装映射），冈补充道："它如同纳米级CAD软件，能告知使用何种DNA体素构建任意定义的3D层级有序晶格。"

随后可在DNA体素内添加各类纳米"功能单元"，赋予最终结构特定属性。例如在于南方的实验中嵌入了金纳米粒子以获取独特光学特性。但如前所示，无机与生物源纳米组件均可集成至这些DNA支架中。器件组装完成后，团队还进行了"矿化"处理：用二氧化硅涂层包裹支架，再经热处理分解DNA，将原始有机支架转化为高稳定性无机形态。

冈正持续与库马尔和于南方合作，探索复杂结构工程与组装的设计原理，以期实现更精密的设计（包括模拟人脑复杂连接性的3D电路）。

"我们正在建立自下而上的3D纳米制造平台。这被视为'下一代纳米级3D打印'，而DNA自组装的强大能力使我们能实现大规模并行制造，"冈总结道。