忘掉3D打印吧——DNA和水正在构建可自我组装的微型机器

"我们现在可以从自组装纳米组件构建复杂预设的3D结构，这类似于纳米尺度的帝国大厦，"哥伦比亚大学工程学院化学工程、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物质与生物纳米材料组负责人Gang表示。

"按设计制造3D纳米材料的能力对于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及反应器，"Gang补充道。

在发表于《自然·材料学》（7月9日）和《ACS纳米》（4月11日）的两篇论文中，Gang及其同事描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场景，同时他们提供了可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。

新材料的一锅法制备

在微电子的小型化制造领域，传统方法基于自上而下策略。光刻是常用技术，利用强光和精密模板蚀刻电路。但主流光刻技术难以处理复杂的三维结构，而增材制造（即3D打印）尚未能在纳米尺度制造特征结构。两种方法在工作流程上皆为逐特征串行制造，这对构建3D物体本质上是缓慢的过程。

受生物系统启发，Gang通过DNA引导的自组装过程自下而上构建3D材料与器件。他通过与科学家合作持续优化该方法，例如为其科研需求构建极小尺寸的电子器件。

两个月前，他与前学生Aaron Michelson（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机，该团队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支架并涂覆光敏材料制造该传感器。

这仅是众多成果中的开端。在最新发表于《自然·材料学》的论文中，Gang团队建立了从纳米级DNA组件和纳米粒子创建目标3D结构的逆向设计策略。研究展示了其"DNA折纸术"材料设计方法的四项应用：由一维链和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；形成螺旋漩涡的旋转晶体；以及为哥伦比亚工程学院应用物理教授Nanfang Yu设计的特殊光反射结构，旨在实现其未来构建光学计算机的目标。

借助哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室的同步辐射X射线散射、电子显微术等先进表征技术，团队确认所得结构符合设计，并揭示了提升结构保真度的设计要素。这些独特结构均在Gang实验室的水溶液孔中自主装完成。此类材料形成本质上是并行过程，因组件在组装过程中同步结合，意味着相较传统方法可显著节省3D制造时间与成本。该制造过程还具有环境友好性，因组装在水中进行。

"这是适用于多种材料（生物、光学、电学、磁性）和属性的通用平台，"Gang强调，"最终结果仅取决于设计本身。"

简易化的DNA设计

DNA折叠具有可预测性，因其四种核酸仅能按特定组合配对。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？

Gang团队通过逆向结构设计攻克了这一难题。"若已知所需功能的大型结构，可将其解构为具有特定结构、结合及功能属性的小型组件，进而形成目标结构所需的构建模块，"Gang解释道。

这些构建模块是折叠成机械性能稳固的八面体DNA链，Gang称其为体素（voxel），其每个角点设有连接器用于体素互连。通过DNA编码可设计多个体素连接形成特定重复性3D基元，类似拼图碎片构成复杂图案。这些重复基元进而并行组装，最终形成目标层级结构。哥伦比亚大学Michael Bykhovsky及Charo Gonzalez-Bykhovsky讲席化学工程教授Sanat Kumar为Gang的逆向设计方法提供了计算验证。

为实现逆向设计策略，研究人员必须解决如何以最少量DNA纳米级"拼图碎片"构建目标结构。"可将其视为文件压缩。我们希望最小化信息量以实现最高效的DNA自组装，"第一作者Jason Kahn（布鲁克海文国家实验室科学家，曾任Gang课题组博士后）指出。该算法被命名为"结构编码装配映射"（MOSES），Gang补充道："它如同纳米级CAD软件，能指示使用何种DNA体素构建任意定义的3D层级有序晶格。"

随后可在DNA体素内添加赋予最终结构特定属性的各类纳米"载荷"。例如Yu的实验证明，嵌入金纳米粒子可赋予独特光学特性。但如先前所示，无机与生物源纳米组件均可被整合进这些DNA支架。器件组装完成后，团队还进行了"矿化"处理：用二氧化硅涂覆支架后高温加热分解DNA，将原始有机支架转化为高稳健的无机形态。

Gang正持续与Kumar和Yu合作探索复杂结构的工程设计原理，期望实现更复杂的设计，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。这堪称'下一代纳米级3D打印'，如今DNA自组装的强大能力使我们能建立大规模并行制造体系，"Gang总结道。