近年來，小型機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力，例如疾病診斷、藥物輸送和手術(shù)治療。這種毫米到微米級別的小尺寸機(jī)器人能夠在有限的空間內(nèi)運(yùn)動，并到達(dá)深層組織。目前大部分小型機(jī)器人為硬質(zhì)材料，通常其靈活性不足，在受限和不規(guī)則空間中移動困難，且其高機(jī)械強(qiáng)度容易對生物組織造成額外損傷。受自然界軟體生物的啟發(fā)，如軟毛蟲、章魚和蚯蚓等，科學(xué)家開發(fā)出軟體機(jī)器人以提高對工作環(huán)境的適應(yīng)性。電活性聚合物、形狀記憶材料、熱響應(yīng)彈性體和水凝膠材料等被用于構(gòu)建軟體機(jī)器人。在這些材料中，水凝膠由于具有靈活可調(diào)的機(jī)械強(qiáng)度和對外界刺激的靈敏響應(yīng)能力受到廣泛關(guān)注。
脫氧核糖核酸（DNA）作為生命遺傳分子，是可編程的生物大分子，近年來開始用于制造新型生物材料，尤其是DNA水凝膠材料蓬勃發(fā)展（Progress in Polymer Science, 2019, 101163）。DNA水凝膠機(jī)械強(qiáng)度低（彈性模量通常低于1000 Pa），特別適合構(gòu)建軟體機(jī)器人。
近期，天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組構(gòu)建了一種基于DNA水凝膠材料的DNA軟體機(jī)器人。該軟體機(jī)器人兼具超軟和超彈的力學(xué)特性，在磁導(dǎo)航驅(qū)動下可將細(xì)胞遞送至受限空間。他們利用滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)（RCA）合成DNA水凝膠（如圖1所示）。長鏈DNA間物理纏繞形成動態(tài)交聯(lián)點，DNA修飾的磁性納米粒子作為永久交聯(lián)點，共同構(gòu)建獨特的水凝膠雙網(wǎng)絡(luò)。這種磁性DNA水凝膠的彈性模量低于1 Pa，表現(xiàn)出超軟特性；且可被拉伸13倍，表現(xiàn)出超彈特性。基于水凝膠的獨特性能，他們設(shè)計了一種具有形狀適應(yīng)性的DNA軟體機(jī)器人。在磁驅(qū)動下，DNA機(jī)器人可運(yùn)動通過比自身體積更小的狹窄通道，還可進(jìn)入不規(guī)則形狀的凹槽空間，甚至可完成復(fù)雜路徑迷宮中的行走任務(wù)。更重要的是，DNA水凝膠具備三維多孔結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性，可作為細(xì)胞的三維培養(yǎng)載體材料，在磁導(dǎo)航驅(qū)動下將細(xì)胞遞送至受限空間，且不影響細(xì)胞的活性。該DNA軟體機(jī)器人可望用于診斷治療、可植入醫(yī)療設(shè)備和微創(chuàng)手術(shù)等重要生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域。
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