摒弃3D打印——DNA与水如今能构建可自组装的微型机器

"我们现在可以利用自组装的纳米组件构建结构复杂的预设3D组织，这类似于纳米尺度的帝国大厦，"哥伦比亚大学工程与应用科学学院化学工程及应用物理与材料科学教授、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。

"按需制造3D纳米材料的能力对于许多新兴应用至关重要，范围涵盖光操控、神经形态计算、催化材料乃至生物分子支架与反应器，"Gang补充道。

在7月9日发表于《Nature Materials》和4月11日发表于《ACS Nano》的两篇论文中，Gang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，该方法适用于多种应用场景，并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。

新材料的一站式解决方案

在微电子器件的小型化制造领域，传统方法采用自上而下策略。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的三维结构，而增材制造（即3D打印）目前尚无法实现纳米级特征制造。从工艺流程看，这两种方法都是逐个特征串行制造，这种本质特性导致构建3D物体效率低下。

受生物系统启发，Gang通过DNA引导的自组装过程从下而上构建3D材料与器件。他通过与科学家合作持续优化该方法，例如为满足科研需求制造极小尺寸的电子器件。

两个月前，他与前学生Aaron Michelson（现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器件——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。

该器件仅是系列成果的首例。在最新《Nature Materials》论文中，Gang团队建立了从纳米级DNA组件和纳米颗粒逆向设计目标3D结构的策略。研究展示了"DNA折纸术"材料设计法的四个新应用：由一维链条和二维层状结构组成的类晶体；模拟太阳能电池板常用材料的结构；呈螺旋状旋转的另一种晶体；以及为哥伦比亚大学应用物理学教授Nanfang Yu设计的特殊反光结构——用于其未来构建光学计算机的目标。

团队运用同步辐射X射线散射和电子显微术等尖端表征技术，在哥伦比亚大学和布鲁克海文国家实验室验证了成品结构符合设计预期，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实验室的水溶液中自主装成型。此类材料形成过程本质上是并行的——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制造时间和成本。该制造工艺还具有环境友好性，整个过程在水相环境中完成。

"这是适用于多种材料（生物/光学/电学/磁学）的通用平台，"Gang强调，最终结果完全取决于设计方案。

简化的DNA设计

DNA具有可预测的折叠特性，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甚至数十亿组件时，如何确定正确的初始序列？

Gang团队通过逆向结构设计攻克此难题。"若已知所需功能的大型结构，我们可将其解构为小型组件，创建立方块所需的构型/结合/功能属性，"Gang解释道。

这些构建模块是折叠成机械强度八面体形状的DNA链（Gang称之为"体素"），每个角点设有连接器。通过DNA编码可设计大量体素连接成特定重复3D基元，犹如拼图块构成复杂图案。这些重复基元继而并行组装，形成目标层级结构。哥伦比亚大学化学工程系Michael Bykhovsky与Charo Gonzalez-Bykhovsky讲席教授Sanat Kumar通过计算验证了该逆向设计法。

为实现逆向设计，研究者必须用最少DNA基元设计纳米级"拼图块"。"这类似于文件压缩——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/原Gang团队博士后）说明。该算法被命名为MOSES（结构编码组装映射），Gang将其比作纳米级CAD软件："它能指定所需DNA体素类型，以构建任意定义的3D层级有序晶格。"

随后可在DNA体素内装载各类纳米"载物"，赋予终结构特定属性。例如Yu实验中嵌入金纳米粒子以获得独特光学特性。但此前研究已证实，无机与生物源纳米组件均可集成到这些DNA支架中。器件组装后团队还进行了"矿化"处理：用二氧化硅包覆支架后高温加热分解DNA，将有机支架转化为高稳定性无机形态。

Gang正与Kumar和Yu合作探索复杂结构的设计原理，旨在实现更精密的设计（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。这堪称'纳米级下一代3D打印'，而基于DNA的自组装能力将实现大规模并行制造，"Gang展望道。