2024年1月9日，清华大学刘凯教授、张洪杰院士团队与上海交通大学樊春海院士团队、中国科学院长春应化所王帆研究员团队共同合作，在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表了最新研究成果，题为“Superstrong and tough DNA bulk fibers via metal ion-induced multiscale engineering”。该研究报道了一种金属离子引导的DNA多尺度有序组装范式及连续纺丝制备技术，实现了具有高拉伸强度和高韧性的DNA长纤维规模化制造。
该研究采用稀土等金属离子引导DNA分子可快速完成分子堆积、纳米束形成、微米级丝束有序排列的多尺度组装过程。所制备的高强高韧DNA纤维各项性能指标超越同等测试条件下的重组蛋白丝与聚合物纤维等主流材料。仅使用50毫克DNA即可实现1000米长纤维的连续制备，辅以后续加捻与编织工艺，可轻松实现5000倍自身重量以上的重物负载。更为重要的是，该工作首次验证了生物质DNA可规模化生产高性能纤维材料的可行性，为推动DNA材料面向高技术产业应用迈出了关键一步。
因具备优异的序列可编程性和生物相容性，DNA分子在高技术材料领域的研究和应用备受瞩目。在分子尺度层面，规则的周期性双螺旋结构赋予了DNA分子优异的微观力学特性；在宏观尺度层面，制造能继承其分子级优异机械性能的DNA块体材料仍是一项极具挑战性的工作。同时，当下主流的DNA分子多级有序组装策略高度依赖复杂的序列设计，这直接导致了DNA材料规模化制备的难度和生产成本呈指数级放大。因此，发展可实现高机械性能DNA材料连续宏量制备的全新技术范式被认为是推动DNA材料面向高技术产业应用的关键。
基于此，清华大学刘凯教授、张洪杰院士团队与合作者开发了稀土等金属离子引导的多尺度工程技术，实现了高强韧DNA纤维宏量制备。在金属离子多重作用力引导下，DNA分子可快速完成分子堆积、纳米束形成、微米级丝束有序排列的三级组装过程。该组装过程避免了复杂的DNA序列设计，较好地保留了DNA周期性螺旋结构，促进了DNA分子各向异性组装和长程有序结构形成。应用该多尺度组装策略制备的DNA纤维不仅轻质，并且表现出优异的宏观力学性能。该组装策略首次证明了使用生物质DNA大规模生产高性能力学材料及DNA材料面向高技术产业应用的可行性。
基于多尺度组装策略的DNA纤维与织物宏量制造
研究团队通过湿法纺丝技术，以生物质DNA为原料制备出大尺寸DNA纤维。该制备中，凝固浴内引入了作为反离子的金属离子，来屏蔽负电荷并稳定DNA分子，进一步交联DNA片段以连续形成纤维（图1）。制备的DNA纤维直径均匀，且表面光滑。通过应用该技术，仅使用50毫克DNA即可实现1000米长纤维的连续制备，辅以后续加捻与编织工艺，可轻松实现5000倍自身重量以上的重物负载。
图 1. DNA纤维与织物的连续宏量制备与形貌表征
镧系离子诱导DNA分子组装与DNA纤维制备
研究团队优化纺丝过程中引入的金属离子种类，首先引入了一系列镧系离子（La3+、Ce3+、Nd3+、Eu3+、Tb3+、Dy3+、Tm3+和Yb3+）来调节DNA分子的多尺度组装过程。八种镧系离子制备的初纺DNA纤维表现出相似的力学性能。将制备的DNA纤维进行拉伸处理后，其模量和拉伸强度都得到了显著提高，并且拉伸后DNA纤维的拉伸强度表现出随着引入镧系离子的原子序数的增加而降低的周期性变化规律。鉴于引入的镧系离子间差异性的离子半径、磷酸基团亲和力和诱导DNA构象转变等多种因素，协同影响了DNA的组装过程，最终理性调控了DNA纤维的宏观机械性能（图2）。
图2 稀土离子引导的DNA 纤维力学性能与组装过程调控
二价离子诱导DNA分子组装与DNA纤维制备
研究团队进一步引入二价金属离子（Mg2+, Ca2+, Zn2+, Co2+及Mn2+）参与DNA纤维的连续制备过程。在DNA纤维制备中，二价金属离子预混进DNA纺丝溶液中，以中和带负电荷的磷酸基团并稳定DNA分子，离子预混合处理明显提高了DNA纤维力学性能。在五种二价离子中，镁离子参组装过程的DNA纤维表现出最强的力学拉伸强度与杨氏模量，分别为513±16 MPa与9.4±0.6 GPa。相较于其他四种金属离子，镁离子能在组装过程中更有效地保持构象和螺旋结构，保证在DNA纤维中产生更有序的各向异性结构。偏光光学显微镜与小角X射线散射表征证明，这种效果在经过后拉伸处理的DNA纤维中尤为明显；拉伸处理后的纤维中DNA分子以更加密集堆积模式在DNA纤维中有序取向（图3）。
图3 二价金属离子引导的DNA纤维制备与表征
DNA纤维内部微观形貌与微观力学研究
研究团队随后表征了纤维的内部微观结构，以解析多尺度分子组装过程。在扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）的图像中，DNA纤维内部表现出粗糙形貌特征，并存在明显的双层结构，包含核层和壳层两部分区域。X射线能谱表征（EDS）证明纤维核区域中金属离子含量明显低于外壳层区域。并且，核层和壳层的微观力学压痕表征也表明两个域的微观力学性能存在明显差异（图4）。基于以上表征，核和壳层区域形貌与微观力学的差异源于组装中金属离子从凝固浴中梯度扩散。随着金属离子向DNA相中扩散，外壳区域中的DNA分子逐渐组装和堆积形成致密组装结构，阻碍了离子进一步向核心结构域扩散。在纤维内截面的平均微观模量可达44±22 GPa，远远超过DNA分子本身模量；在组装过程中，金属离子诱导的DNA分子多尺度组装促进了致密堆积，从而大大提高DNA体纤维内部的微机械刚度。
图4 DNA 纤维的微观形貌和微观力学特征
DNA纤维的多尺度组装过程
基于以上结果，研究团队揭示了金属离子诱导DNA分子多尺度组装过程。随着金属离子扩散到DNA溶液相内，中和多余的负电荷并稳定DNA分子。随后，在金属离子的引导下，DNA分子间的连接作用积极推动了更大规模的组装结构产生，从而形成了相互连接的紧密组装结构和介观纳米束结构。纳米束通过拉伸作用沿纤维轴线有序延伸，促进纤维的长程各向异性组装，实现了DNA纤维的连续成型制备（图5）。
图5 DNA纤维多尺度组装过程以及与其他纤维材料性能比较
总结与讨论
该研究工作展示了金属离子引导DNA多尺度组装策略，可用于高强度、高韧DNA纤维的连续宏量制备。金属离子诱导的组装过程保持了DNA分子周期性的螺旋结构，促进DNA分子的各向异性组装，并产生了长程有序组装结构。通过引入不同的金属离子，分子组装结构得到了积极调整，性能也进一步优化。所制备的DNA纤维各项性能指标超越同等测试条件下的聚氨酯、尼龙6、蚕丝、重组蛋白丝等主流材料。更重要的是，可降解、可再生且来源广泛的生物质DNA首次被应用于高性能DNA材料的制备，而不依赖于特定DNA序列设计，大大降低了DNA材料的生产成本。该多尺度组装策略可被认为是高性能DNA材料的设计与制造方面的里程碑式创新，并且已建立的金属离子诱导组装可能对其他生物大分子甚至聚合物的多尺度组装也具有指导意义。
