基于核酸组装的超分子水凝胶结构与性能关系研究及其应用探索

Recently, we have developed a series supramolecular DNA hydrogels based on DNA assembly, which have unique small molecules permission properties, excellent self-healing and biocompatibility, etc. By changing the design of DNA sequences employed in this systems, we can systematically change the crosslinking intensity of the hydrogel network and study their relationship with the mechanical properties of the hydrogel, which enable us to build a simplified model of polymer network. Also we will use these hydrogels to develop 3D living cell bioprinting technology and study the influences of mechanical strength of matrix on the differentiation of stem cell.

本项目将在申请人建立的纯DNA超分子水凝胶、多肽-DNA超分子水凝胶研究的基础上，利用DNA序列的高度特异性相互识别和可设计性，通过改变碱基顺序调控网络结构中DNA组装体的稳定性，系统研究高分子网络拓扑结构和交联强度对体系宏观力学性质和流变行为的影响，建立合理的模型体系，发现其规律；同时利用这些凝胶体系小分子通透、力学强度可设计、可打印、高度生物相容等特点，开展干细胞、胚胎在三维材料包覆条件下力学环境对分化与发育的影响研究。

超分子水凝胶的力学性质是近年来研究关注的热点问题，如何在不改变材料组成、交联密度、交联点之间距离的条件下，实现对材料宏观力学性质的可控调整，一直是该领域的重要挑战。在本项目中，我们深入研究了DNA超分子水凝胶的拓扑结构、交联强度与宏观力学性质之间的关系，提出了全新的方法调控其力学性质，在建立合理的理论模型的同时，深入探索了在生命医学中的应用。具体研究成果包括：. 1，设计了一系列新型力学性质可控的DNA超分子水凝胶。通过DNA序列和结构设计构建了不同拓扑结构的超分子网络；同时在DNA超分子水凝胶网络骨架的特定部位中引入了一系列响应性高分子链段或者功能基团，有效拓展了超分子水凝胶体系的刺激响应模式；在此基础上，成功构建以DNA超分子水凝胶为基础的双网络水凝胶，并利用流变仪等手段研究了水凝胶的力学性质。. 2，揭示了凝胶网络结构、分子间相互作用对宏观力学性质影响及规律。利用DNA序列的可设计性，通过改变DNA组件相连部位的结构稳定性，实现对水凝胶体系宏观力学性质的调控。同时利用粗粒化模拟等模拟手段与微流控等实验策略结合，成功解释DNA组装基元与超分子水凝胶中网络结构对宏观体系力学性质、通透性与流变行为影响的分子机制与作用规律。. 3，将DNA水凝胶成功应用于生物医疗等领域。利用DNA水凝胶优秀的小分子通透性、生物相容性以及力学强度好且可连续调节等特点，我们将其应用于不同的生物医疗领域，探索了其应用前景。研究证明了DNA水凝胶不仅可以有效提高免疫治疗的效果，同时在3D细胞组织打印血管结构、诱导干细胞定向分化以及修复脊髓损伤等领域均有显著效果。. 以上研究获得了国际、国内同行的广泛关注，不仅为研究高分子体系的构效关系理论提供了新模型，也为从高分子角度理解生命过程提供了新思路。