DNA水凝胶三维打印相关研究被Nature杂志报道

 水凝胶因其高含水量和类似于细胞外基质的特点,是三维组织打印和人工器官制备的首选基材,也因此成为化学、材料和生命医学领域研究的热点。但凝胶的细胞相容性、力学强度、通透性等一直是其中的挑战性问题。

2009年,清华大学化学系刘冬生领导的科研小组首次报道了一种完全基于DNA组装的超分子水凝胶,具有快速的pH值响应性、优异的小分子通透性,较高的力学强度以及不溶涨等特点(Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 7660-7663),受到了广泛关注并被NPG Asia Materials网站作为研究亮点报道(http://www.nature.com/am/journal/v2/n1/full/am201015a.html)。在此基础上,他们又发展了可在生理条件下成胶并具有多种可设计响应性的DNA超分子水凝胶,此凝胶可以秒级成型,具有良好的力学强度并允许20000分子量以下的分子快速扩散通过(Advanced Materials, 2011, 23, 1117-1121);之后的研究证明此凝胶具有优秀的细胞相容性并成功地实现了单细胞的培养与操控(Advanced Materials, 2013, 25(34), 4714-4717)。

刘冬生研究小组还通过和中科院化学所的李志波研究员、德国Ulm大学的Tanja Weil教授等研究小组合作,发展了一系列基于DNA组装的多肽-DNA复合超分子水凝胶体系。通过DNA序列的设计,这些水凝胶在化学组成、交联度、网络结构不改变的情况下,可以实现机械强度从10Pa7000Pa的任意调整;利用DNA的特异性识别性质,这些凝胶体系还可以实现多种功能基团的比例可控修饰;此外,他们还发现所有基于DNA组装的超分子水凝胶都具有快速响应的触变性,能够实现任意形状的直写(Chem. Commun., 2014, 50, 14620-14622; Small 2014, DOI: 10.1002/smll.201401906)。

最近,该研究小组和英国瓦特大学Will Shu(舒文淼)等合作,将系列的DNA水凝胶材料成功地应用于活细胞的三维打印,文章被德国应用化学(Angew. Chem., Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201411383)配以Press Releasehttp://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-3773/homepage/press/201505press.html)发表后,2015226日出版的Nature杂志以研究亮点形式对其进行了报道(http://www.nature.com/nature/journal/v518/n7540/full/518458c.html):“此凝胶可以通过多层打印实现厘米级结构的构建”、“有足够好的强度维持其形状、不塌缩也不溶涨,但可以被(特定的)DNA内切酶迅速解离”、“共同打印的活细胞可以保持活性”,并认为“这是一种非常有前景的打印三维组织和人工器官的材料”。

刘冬生研究小组的科研工作得到了清华大学自主科研计划、国家自然基金委员会和科技部973计划的大力支持。