哥倫比亞大學(xué)工程師3D打印自組裝DNA，使用生物分子代碼大規(guī)模生產(chǎn)納米級(jí)設(shè)備

2025年7月14日，南極熊獲悉，來自哥倫比亞大學(xué)的研究人員正在利用 DNA 自組裝復(fù)雜的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，重新定義 3D 打印的極限，為未來制造比以往更快、更便宜、功能更強(qiáng)大的微型設(shè)備打開大門。

相關(guān)研究的一部分以題為“Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design ofprogrammable bonds”的論文發(fā)表在《Nature》雜志上，另一部分以題為“ArbitraryDesign of DNA-Programmable 3D Crystals through Symmetry Mapping”的論文發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

△相關(guān)研究論文

本研究主要負(fù)責(zé)人的是哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院的化學(xué)工程師、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心負(fù)責(zé)人奧列格·甘教授，他表示：“我們現(xiàn)在可以用自組裝納米組件構(gòu)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，這有點(diǎn)像納米版的帝國大廈。”

Gang 的實(shí)驗(yàn)室沒有依賴傳統(tǒng)的自上而下的方法，例如光刻技術(shù)，因?yàn)檫@些方法難以處理 3D 特征，而且通常需要緩慢的連續(xù)制造，而是采用了 DNA 引導(dǎo)的自下而上的自組裝技術(shù)。這種“下一代 3D 打印”方法利用水基環(huán)境，可以快速、可持續(xù)地并行構(gòu)建設(shè)備。

這項(xiàng)創(chuàng)新的核心是微小體素——機(jī)械性能穩(wěn)定、基于DNA的八面體，它們像納米級(jí)拼圖碎片一樣緊密貼合。Gang的團(tuán)隊(duì)使用一種名為MOSES（結(jié)構(gòu)編碼組裝映射）的定制算法，可以從所需結(jié)構(gòu)逆向工程這些碎片，從而像納米CAD軟件一樣簡化設(shè)計(jì)流程?！八鼤?huì)告訴你應(yīng)該使用哪個(gè)DNA體素來構(gòu)建一個(gè)特定的、任意定義的三維層次有序晶格，”Gang說道。

△利用DNA可編程鍵組裝的三維分層有序納米顆粒結(jié)構(gòu)的藝術(shù)渲染圖（左圖）。所需結(jié)構(gòu)及其光學(xué)反射特性的設(shè)計(jì)，以及具有反射特性的成型材料圖像（右上圖）。納米顆粒以線狀排列、在光的半波長處分離的已實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像（右下圖）。圖片來源：Oleg Gang。

每個(gè)體素還可以攜帶“納米載體”（例如金納米顆?；蚋泄獠牧希瑥亩ㄖ谱罱K結(jié)構(gòu)的屬性，以適應(yīng)光學(xué)、生物傳感和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算等應(yīng)用。在最近的合作中，研究團(tuán)隊(duì)利用這種方法創(chuàng)建了3D光傳感器和用于光學(xué)計(jì)算的結(jié)構(gòu)。組裝完成后，一些設(shè)備甚至?xí)弧暗V化”：DNA支架被涂覆二氧化硅，然后經(jīng)過熱處理，制成耐用的無機(jī)版本。

Gang說道：“我們正在順利建立自下而上的3D納米制造平臺(tái)。我們將其視為納米級(jí)的‘下一代3D打印’。

通過模擬生物系統(tǒng)并利用DNA可預(yù)測(cè)的折疊行為，Gang團(tuán)隊(duì)在原子尺度上實(shí)現(xiàn)了前所未有的控制。他們通過先進(jìn)的X射線和電子顯微鏡證實(shí)的自組裝結(jié)構(gòu)，預(yù)示著高速、環(huán)保的納米制造技術(shù)的未來，以及其廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

用 Gang 的話來說：“這是一個(gè)適用于多種不同特性的材料的平臺(tái)：生物、光學(xué)、電學(xué)、磁性。” 以 DNA 為基礎(chǔ)，唯一的限制就是設(shè)計(jì)。