近日，上海交通大学自动化与感知学院张宏陆副教授团队与农业与生物学院张欢副教授合作，在《Advanced Science》期刊上发表了题为“Engineering Liquid Hierarchical Materials with DNA-Programmed Spherical Nucleic Acids” （DNA 编程的球形核酸用于工程化构建液态超材料）的最新研究成果。

该工作提出了一种通用、高效的DNA可编程纳米结构构建方法，首次实现了通过多价球形核酸（Spherical Nucleic Acids, SNAs）构建液态金属纳米凝聚体，为开发具备响应性、智能化的新型软物质材料提供了全新思路。这一研究成果对于未来在柔性电子、生物传感、纳米操控和智能诊疗系统中的应用具有广泛潜力。

研究背景

在电子信息技术的发展中，从集成电路的三维封装到柔性可穿戴器件，材料的微纳尺度结构设计正变得越来越关键。自然界中复杂有序的多尺度结构为工程材料设计提供了启发，例如细胞膜、蛋白质复合体等均由层级组织构成。然而，传统研究主要集中在“固态”材料，如晶体、超晶格等结构体，而在“液态”状态下实现同样复杂的构建，仍面临诸多挑战。

DNA 作为天然的可编程分子，具备高度编程性和空间结构可控性，可被用于构建纳米元器件，并被广泛应用于生物电子、生物计算与信息存储等领域。然而，将这种编程能力拓展至液态材料体系，并实现精确调控和多功能集成，尚属首次尝试。

创新成果

本研究提出了一种通用且高效的SNA组装方法。该方法可在无需特定序列修饰的情况下，将多种类型和拓扑结构的核酸分子（包括随机序列 DNA、环状 DNA、单导 RNA、信使 RNA 等）快速组装到金纳米颗粒表面，形成高密度、稳定的 SNAs（如图1a所示）。组装过程基于丁醇诱导的局部脱水与物理浓缩机制，突破了传统对聚腺苷酸（polyA）或巯基修饰的依赖。在此基础上，研究团队进一步探究了 DNA“键”的空间分布与机械刚性对 SNA 多级组装效率的影响，结果表明，结合位点的构型和柔韧性是实现精确可控层级结构的关键因素（如图1b所示）。

图1 通用的SNA组装策略及其精准构型调控

通过引入液-液相分离机制，研究人员成功构建了微米尺度的液滴状金属凝聚体超材料（如图2所示）。这些液滴在溶液中表现出典型的液态行为，包括可融合性和动态重构能力。更重要的是，金属核增强了其对光的吸收，使其在激光照射下表现出显著的光热响应能力。细胞实验表明，SNA 凝聚体可被细胞有效吞噬，并在激光激发下引发细胞形态的显著改变，展现出潜在的肿瘤光热治疗功能。

图2 DNA编程构筑的液态金属凝聚体超材料

研究意义

这项研究突破了传统固态材料构建的局限，首次将DNA的可编程特性引入柔性液态材料体系，为构建具备自组织和自调节能力的下一代智能响应材料奠定了基础。该成果不仅为仿生液态材料的设计提供了新路径，也为开发具备环境感知、生物响应和功能集成的新型生物功能平台开辟了新范式。

文章信息

张宏陆、张欢为论文的共同通讯作者，博士生陈泽宇、陈旭为该论文的共同第一作者。该研究得到了中国科学院院士、上海交大樊春海教授的指导与支持，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市浦江人才计划及上海合成生物学创新中心相关项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202504471

研究团队介绍

张宏陆研究团队长期致力于单分子生命感知、人工智能与合成生物学、DNA信息存储等前沿领域的研究，相关研究成果以第一/通讯作者发表于《Science Advances》《Nature Communications》《PNAS》《Matter》《Nature Protocols》等高水平学术期刊，申请发明专利十余项，并积极开展颠覆性技术的转化研究。欢迎感兴趣的同仁加入团队共谋发展！

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