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  近年來，小型機器人在生物醫(yī)學領(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器人能夠在有限的空間內(nèi)運動，并到達深層組織。目前大部分小型機器人為硬質(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，且其高機械強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，科學家開發(fā)出軟體機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)建軟體機器人。在這些材料中，水凝膠由于具有靈活可調(diào)的機械強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（Progressin Polymer Science, 2019, 101163）。DNA水凝膠機械強度低（彈性模量通常低于1000Pa），特別適合構(gòu)建軟體機器人。

  近期，天津大學化工學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軟體機器人。該軟體機器人兼具超軟和超彈的力學特性，在磁導(dǎo)航驅(qū)動下可將細胞遞送至受限空間。他們利用滾環(huán)擴增反應(yīng)（RCA）合成DNA水凝膠（如圖所示）。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1Pa，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軟體機器人。在磁驅(qū)動下，DNA機器人可運動通過比自身體積更小的狹窄通道，還可進入不規(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，可作為細胞的三維培養(yǎng)載體材料，在磁導(dǎo)航驅(qū)動下將細胞遞送至受限空間，且不影響細胞的活性。該DNA軟體機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)學相關(guān)領(lǐng)域。

DNA軟體機器人的分子設(shè)計原理圖

  研究結(jié)果近期在線發(fā)表于Angewandte ChemieInternational Edition，相關(guān)成果已申請中國發(fā)明專利。天津大學化工學院碩士研究生唐建普和講師姚池博士為共同第一作者，合作者包括美國康奈爾大學羅丹、SunghwanJung教授和澳大利亞新南威爾士大學谷子博士。研究得到國家自然科學基金的資助支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.201913549