傳統(tǒng)上，利用DNA指導(dǎo)的納米顆粒自組裝面臨著精確控制納米顆粒表面修飾和自組裝結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，尤其是在構(gòu)建具有特定圖案和對稱性的復(fù)雜超結(jié)構(gòu)方面。目前的方法往往難以精確控制納米顆粒的表面修飾，導(dǎo)致納米顆粒間的相互作用缺乏特異性和可預(yù)測性，從而限制了對最終自組裝結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。DNA折紙技術(shù)與金納米顆粒的結(jié)合為精確調(diào)控納米材料自組裝提供了前所未有的手段。上海交通大學(xué)變革性分子前沿科學(xué)中心姚廣保，聯(lián)合化學(xué)化工學(xué)院劉小果團隊，通過引入DNA折紙技術(shù)，提出了一種創(chuàng)新的“減材式圖案化”策略，有效解決了上述難題。該策略利用DNA折紙桶精確控制球形納米顆粒的表面修飾，實現(xiàn)了對納米顆粒表面圖案的精準(zhǔn)調(diào)控，并最終成功構(gòu)建了具有明確幾何關(guān)系的多維超結(jié)構(gòu)，例如類石墨烷的雙層超晶格結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作以“Prescribing DNA origami barrel-directed subtractive patterning of nanoparticles for crystalline superstructure assembly”發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。         

圖1. 桶狀DNA折紙介導(dǎo)的減材圖案化納米顆粒的設(shè)計和組裝原理

該策略運用桶狀 DNA 折紙結(jié)構(gòu)修飾金納米顆粒表面，進(jìn)而形成可控的活性區(qū)域，以此制備出不同類型的 Janus 型納米顆粒，并且能夠?qū)钚詤^(qū)域的角度實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。在深入探究嵌段納米顆粒及其超結(jié)構(gòu)組裝關(guān)系的過程中，研究團隊基于 CCM 構(gòu)建了 RACM 模型。該模型引入各向異性鍵合概念，精準(zhǔn)描述了Janus 型和三嵌段Janus型納米顆粒表面活性區(qū)域的各向異性鍵合特性，同時充分考慮 DNA 折紙桶引發(fā)的空間位阻效應(yīng)，進(jìn)而可預(yù)測不同 DNA 連接子長度下嵌段納米顆粒的配位數(shù)及組裝體構(gòu)型，實現(xiàn)納米組裝體結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計。通過調(diào)整 Janus 型納米顆粒的活性區(qū)域和自組裝行為，成功構(gòu)筑了類石墨烷準(zhǔn)二維雙層超結(jié)構(gòu)和多層超晶格結(jié)構(gòu)。本研究提出一種DNA桶介導(dǎo)的減法圖案化策略，用于制備具有區(qū)域選擇性DNA修飾的納米結(jié)構(gòu)單元。該策略類似于傳統(tǒng)自上而下”減材制造“，通過表面工程精確構(gòu)建組裝結(jié)構(gòu)單元。在此過程中，特定區(qū)域的配體失活，從而精確控制DNA修飾的大小和數(shù)量。此外，該方法可拓展至非球形納米顆粒，結(jié)合形狀各向異性與DNA圖案，并可利用多面體DNA模板形成多價態(tài)納米顆粒，為超結(jié)構(gòu)與超材料的構(gòu)建提供高可行性方法。