基于纳米颗粒模板化DNA键的可编程结构仿生材料研究

Research on the design and synthesis of advanced materials inspired by natural hard tissues is currently a hot topic in materials science. Recently, structural DNA nanotechnology is under rapid developments, as an emerging nanotechnology. Its programmable feature provides new solutions to the construction of hierarchical structures inspired by hard tissue. The present research proposal is aimed to develop a series of super-lattice structures via typical biomineral nanoparticle-templated DNA bonds and build hierarchical structural materials by further biomimetic mineralization. We will focus on the design of nanoparticle templated DNA bonds and the manufacturing of bioinspired hierarchical structural materials. We will systematically study the influence of DNA bonds sequences in the building of super-lattice, and then compare the nano/macro-mechanical, physiochemical and biological properties of these materials to the natural components. The present proposal will provide theoretical basis to the frontier research between bioinspired structural materials and structural DNA nanotechnology and prove the possible advantages brought by nanoparticle-templated DNA bonds, which also has good application potential in biomedical materials.

在材料科学领域中，模仿生物硬组织来进行新材料的设计与合成，为当前研究热点和难点。近年来，DNA结构纳米技术作为新兴纳米科技，得到了飞速发展。它的可编程特性为探索“生物硬组织多级复杂有序结构的仿生构建”这一科学问题提供了新的解决思路。本项目拟基于纳米颗粒模板化DNA键技术，使用DNA来修饰并诱导典型生物矿物纳米颗粒的长程有序排布；并通过进一步仿生矿化达成多级有序结构仿生材料的构建。本项目将围绕典型生物矿物纳米颗粒模板化DNA键的设计，及多级有序结构仿生材料的制备展开。我们将首先系统研究DNA链设计对生物矿物纳米颗粒超晶格排布造成的影响，随后比较研究不同类型超晶格硬组织结构仿生材料的纳米及宏观力学性能，理化性能及生物学性能，并与对应的天然硬组织进行对比，验证该技术可能带来的优势。该项目将为结构仿生材料和DNA结构纳米技术领域之间的前沿交叉研究提供理论基础，并且有良好的生物医用材料应用前景。

在材料科学领域中，模仿生物硬组织来进行新材料的设计与合成，为当前研究热点和难点。近年来，DNA结构纳米技术作为新兴纳米科技，得到了飞速发展。它的可编程特性为探索“生物硬组织多级复杂有序结构的仿生构建”这一科学问题提供了新的解决思路。本项目拟基于纳米颗粒模板化DNA键技术，使用DNA来修饰并诱导典型生物矿物纳米颗粒的长程有序排布；并通过进一步仿生矿化达成多级有序结构仿生材料的构建。本项目将围绕典型生物矿物纳米颗粒模板化DNA键的设计，及多级有序结构仿生材料的制备展开。我们将首先系统研究DNA链设计对生物矿物纳米颗粒超晶格排布造成的影响，随后比较研究不同类型超晶格硬组织结构仿生材料的纳米及宏观力学性能，理化性能及生物学性能，并与对应的天然硬组织进行对比，验证该技术可能带来的优势。该项目将为结构仿生材料和DNA结构纳米技术领域之间的前沿交叉研究提供理论基础，并且有良好的生物医用材料应用前景。在项目执行期间，我们基于预水解团簇生长理论，成功实现了DNA纳米结构的精确仿生矿化，更重要的是，这一方法突破了传统有机软模板对无机组分的几何结构限制（如，球形，棒状和片状结构），实现了从1维到3维的复杂仿生矿物制备。相关成果以第一作者身份发表于Nature（ESI高被引论文）。此外，总共发表受项目资助的研究论文8篇，其中第一（含共同）作者5篇，通讯（含共同）作者3篇。