综述：物理刺激响应性 DNA 水凝胶：设计、制备策略及生物医学应用

《Journal of Nanobiotechnology》：Physical stimuli-responsive DNA hydrogels: design, fabrication strategies, and biomedical applications

本文综述了物理刺激响应性 DNA 水凝胶在生物医学领域的研究进展，探讨其应用前景与挑战。

　　

物理刺激响应性 DNA 水凝胶：设计、制备策略及生物医学应用

在生物医学领域，组织工程致力于开发修复或替换受损组织和器官的策略，水凝胶作为其中的关键材料备受关注。物理刺激响应性 DNA 水凝胶因其独特的生物相容性、可调节性质以及模拟天然组织机械环境的能力，成为组织工程领域极具潜力的研究对象。

一、DNA 水凝胶的理化性质

DNA 水凝胶由 DNA 分子通过化学交联剂在缓冲液中交联而成，其结构取决于制备方法，与其他水凝胶不同，它并非由热力学驱动，而是由凝胶化速率决定结构。交联模式对其机械性能影响重大，较高浓度的交联剂可使水凝胶更坚硬。DNA 水凝胶通常呈网状结构，以增加含水量和孔隙率，交联程度显著影响其弹性、刚度和整体机械强度。

DNA 水凝胶网络在数周内保持稳定，但在生理条件下，尤其是高温时可能变得不稳定，这源于 DNA 作为生物聚合物依赖碱基配对的特性。不过，这种特性也使得设计刺激响应性水凝胶成为可能。例如，温度变化可导致水凝胶发生溶胶 - 凝胶转变，从而实现生物活性分子的控制释放；pH 变化能触发药物或生长因子的释放，用于组织再生；还可通过掺入光敏 DNA 序列、磁性纳米颗粒等，实现对药物释放和组织再生的时空控制，或通过电场诱导机械性能的可逆变化。此外，DNA 水凝胶能响应机械力，这对承重组织再生至关重要。

DNA 水凝胶的独特性质使其特别适合组织工程和再生医学应用。其可调节的刚度和弹性能够模拟天然组织，注射给药方式可减少侵入性。水凝胶的生物相容性和细胞黏附性促进细胞附着和生长，有利于骨细胞相互作用。它还能实现药物或生长因子的控制释放，增强愈合和组织再生能力，并且对剪切应力的响应模仿了天然组织对身体活动的反应，触发有益物质的释放。同时，DNA 水凝胶的生物降解性使其能随着时间与新形成的组织无缝整合。

二、物理刺激响应性 DNA 水凝胶的特性

1. 溶胶 - 凝胶相变：物理刺激响应性 DNA 水凝胶可响应特定物理刺激，如光、温度或机械应力，发生溶胶 - 凝胶相变。这种相变是可逆的，通过控制外部刺激来改变水凝胶的交联密度，进而实现相态转换。例如，一些由互补粘性末端的 DNA 序列杂交形成的水凝胶，在温度或 pH 变化时会发生溶胶 - 凝胶转变，可用于智能水凝胶药物递送系统或组织再生支架。
2. 自交联：DNA 水凝胶具有特殊的自交联能力，可通过连接过程形成凝胶，并且能与小分子结合增强强度。其性能，如细胞生长和药物作用效果，取决于自身的强度和刚度，通过调节刚度可满足不同领域的应用需求。
3. 机械性能：物理刺激响应性 DNA 水凝胶的机械性能可通过控制交联密度进行调节，外部刺激如 pH 或温度变化可影响交联密度。例如，由互补序列杂交形成的 DNA 水凝胶，可通过改变 DNA 链的长度和浓度来调节机械性能，酶促连接形成的水凝胶则可通过控制酶的活性来调整。这些水凝胶还表现出可逆变形、形状记忆等独特机械行为，在组织再生和药物递送等应用中发挥重要作用。
4. 表面性质：DNA 水凝胶的表面性质可进行定制，以实现特定功能，如细胞黏附、药物递送等。通过在水凝胶基质中掺入特定功能基团或分子，可修饰其表面性质，例如引入偶氮苯基团可实现光响应行为，引入 pH 敏感基团可实现 pH 响应行为，这些修饰可用于控制水凝胶的溶胀行为，在组织再生和药物递送中具有重要意义。
5. 孔隙率：孔隙率是影响物理刺激响应性 DNA 水凝胶机械和生物学性质的重要因素，它影响营养物质、氧气和其他分子在水凝胶中的扩散。水凝胶的孔隙率受交联密度、DNA 链长度和浓度以及水凝胶形成方法等因素控制，且会受到外部刺激如温度或 pH 变化的影响。高孔隙率的水凝胶为细胞生长和增殖提供有利环境，低孔隙率的水凝胶则为组织再生提供机械支持，具有可调孔隙率的水凝胶可用于药物递送系统。
6. 降解：物理刺激响应性 DNA 水凝胶的降解性能可通过控制交联密度进行调节，外部刺激如 pH、光和温度变化可影响交联密度。例如，由互补序列杂交形成的水凝胶可通过改变 DNA 链的长度和浓度来调整降解性能。在组织工程和药物递送等应用中，具有可调降解性能的水凝胶可作为临时支架，在细胞生长和分化后被自然组织替代。
7. 刚度：刚度是影响物理刺激响应性 DNA 水凝胶机械和生物学性质的重要因素，它反映水凝胶抵抗变形的能力。不同刚度的水凝胶在组织工程、药物递送和生物传感等应用中具有不同作用，高刚度水凝胶可提供机械支持，低刚度水凝胶有利于细胞生长和增殖，具有可调刚度的水凝胶可用于控制药物释放。刚度受水凝胶形成方法、交联密度和外部刺激等多种因素控制。

此外，物理响应性 DNA 水凝胶还具有稳定性、生物相容性、溶胀性、细胞黏附性等多种其他性质，这些性质使其成为多功能组织再生的有前景材料。

三、物理刺激响应性 DNA 水凝胶的制备

将物理刺激响应性功能引入 DNA 水凝胶是通过设计刺激响应性 DNA 交联剂实现的，这一过程需要仔细考虑多个关键因素，包括 DNA 序列选择、交联方法选择以及反应条件优化。DNA 水凝胶的设计包含三个基本组件：提供结构支撑的母体聚合物链（多为亲水性）、用于交联聚合物链形成凝胶的连接子部分（如 DNA 双链）以及与生物分子和分析物相互作用的功能标签（DNA 酶或 DNA 适配体） 。

DNA 水凝胶主要通过物理交联和化学交联两种方式与物理刺激结合制备。化学交联属于 DNA 的分子间共价相互作用，可维持水凝胶的机械强度、环境稳定性和形状记忆；物理交联则依赖非共价相互作用，如互补 DNA 之间的氢键、静电相互作用、配位相互作用等，具有动态和灵活的特点。在构建智能和功能性 DNA 水凝胶时，常用的关键响应单元包括 i - 基序、适配体、G - 四链体和三链核酸。

常见的物理刺激类型包括温度、光、磁场、电场、超声和压力等，它们在与 DNA 水凝胶结合形成物理刺激响应性 DNA 水凝胶时，主要通过两种方法：一种是全 DNA 水凝胶，完全由 DNA 自组装和 DNA 链及基序交联而成，其构建依赖核酸扩增技术；另一种是杂交 DNA 水凝胶，由天然和合成聚合物或生物分子与 DNA 偶联和交联而成，构建基于静电相互作用、配位相互作用、双键聚合等。

四、不同类型物理刺激响应性 DNA 水凝胶

1. 温度响应性 DNA 水凝胶：温度响应性 DNA 水凝胶在癌症治疗和组织再生方面展现出巨大潜力，其能够响应温度波动进行溶胶 - 凝胶转变。例如，某些温度响应性 DNA 水凝胶在人体温度下可形成稳定网络，精确控制治疗物质的释放。其起源可追溯到 1996 年 Nagahara 的开创性工作，他展示了由琥珀酰亚胺共聚物形成的水凝胶，利用互补 DNA 碱基对的热解离特性实现水凝胶的形成和溶解。此后，研究人员通过不同的构建方式进一步开发了多种温度响应性 DNA 水凝胶。如 Liu 等基于全 DNA 水凝胶组装，使用 Y 支架和连接子 DNA 构建了热响应性水凝胶；Song 等在 DNA 水凝胶网络中引入纳米颗粒（AuNPs 和 DOX）作为热响应元素；Wu 等开发了含 PPO 的温度响应性 DNA 水凝胶；Kang 等利用金银纳米棒（NRs）制备了新型温度响应性 DNA 水凝胶，这些水凝胶在药物释放和组织再生等方面表现出独特性能。
2. 光响应性 DNA 水凝胶：光响应性 DNA 水凝胶在癌症治疗和组织再生中是一种前沿方法，可通过光照射实现结构变化和治疗剂释放。分子偶氮苯常用于开发此类水凝胶，其在 UV 光下可发生形状变化，导致 DNA 链分离，在可见光下又可恢复原状。Peng 等制备的光响应性 DNA 水凝胶通过可逆 DNA 杂交实现体积变化；还有研究通过不同的交联方式和引入特殊碱基，开发出具有不同性能的光响应性 DNA 水凝胶，如基于葡糖胺硼酸酯和反式偶氮苯插层单元的水凝胶，以及含人工碱基 cnvK 的水凝胶等。此外，一些光响应性 DNA 水凝胶还结合纳米颗粒，实现了光控药物释放和光热治疗等功能。
3. 磁场响应性 DNA 水凝胶：近年来，磁场响应性 DNA 水凝胶在癌症治疗和组织再生领域受到越来越多关注。此类水凝胶通过嵌入磁性纳米颗粒，可在外部磁场作用下实现远程控制和操作。例如，研究人员开发了一种 DNA - MNP 水凝胶，通过特定步骤制备得到，该水凝胶可用于构建磁性驱动的 DNA 机器人，实现精准导航和生物分子检测等功能。同时，磁场响应性 DNA 水凝胶还可用于细胞封装和药物递送，在不同触发条件下可实现凝胶 - 溶胶状态的转变，为治疗提供精准控制。
4. 电场响应性 DNA 水凝胶：电场响应性 DNA 水凝胶可通过酶催化连接、DNA 自组装和静电相互作用等方法制备。例如，Li 等通过修饰 DNA 链，使其带有可在电场作用下发生氧化还原反应的基团，从而制备出对电场响应的水凝胶；Han 等开发的超软且动态的 DNA / 多巴胺接枝葡聚糖（DEX - g - DOPA）水凝胶，对溶剂极性变化敏感，可用于构建动态电线等应用。此外，通过改变 DNA 瓷砖浓度和纳米材料分支拓扑结构等方式，可调节水凝胶复合材料的机械和电化学性能。
5. 超声响应性 DNA 水凝胶：超声响应性 DNA 水凝胶能在超声振动下发生凝胶与液体状态的可逆相变，在药物递送、组织工程和生物传感等方面具有重要价值。其制备方法包括化学交联和物理交联，化学交联用于促进药物释放，物理交联用于组织再生。例如，研究人员通过测试 PMAA / PVPON 水凝胶胶囊在超声照射下释放 G - 四链体 DNA 的能力，探索了超声响应性 DNA 水凝胶的药物释放性能。
6. 压力响应性 DNA 水凝胶：对剪切应力和压力敏感的 DNA 水凝胶在组织再生和癌症治疗中具有巨大潜力。此类水凝胶在外部压力作用下，交联聚合物网络会发生滑动，从而释放封装的药物化学物质。例如，Zhao 等开发的压力响应性粘性水凝胶可促进组织再生；Lee 等开发的压力响应性 DNA 水凝胶具有独特的液体或固体性质，可根据物理环境变化而改变，还可用于构建以水为开关的电路等应用。此外，Qin 组创建的基于目标响应性水凝胶的定量 POCT 方法，为疾病诊断提供了新的思路。

五、DNA - 细胞相互作用：物理信号如何调节分子变化

细胞外基质（ECM）是一个复杂的蛋白质、糖胺聚糖和其他生物分子网络，为组织和器官中的细胞提供结构支持和生化信号，在组织工程和再生医学中备受关注。在组织再生过程中，ECM 会发生动态变化，如受伤时变得多孔，释放生长因子和细胞因子，提供机械信号影响细胞行为。ECM 平台可从天然来源获取，如脱细胞组织，也可通过仿生方法合成，还可功能化修饰以增强组织再生能力。

物理刺激响应性 DNA 水凝胶是创建多功能 ECM 模拟物的有前景平台，可提供结构支持、生化信号，并对细胞微环境进行时空控制。通过与细胞的相互作用，DNA 水凝胶可影响细胞黏附、增殖、分化和迁移等过程。例如，可通过功能化修饰，如添加细胞黏附肽（如 RGD），增强细胞附着；调节水凝胶的机械性能，匹配目标组织，促进干细胞分化；设计水凝胶释放生物活性分子，如生长因子，引导细胞行为；控制水凝胶的降解特性，实现细胞介导的支架重塑。

六、功能化策略

1. 链设计和序列识别：通过设计特定 DNA 序列，可创建具有定制属性的水凝胶。例如，Tan 组利用适配体和聚丙烯酰胺开发了腺苷响应性水凝胶，Willner 组通过修饰聚丙烯酰胺链上的预设计 DNA 序列制备了 pH 响应性 DNA 基水凝胶微胶囊。此外，还可通过设计分支 DNA 单体（BDM）的序列和结构，控制水凝胶的孔径、机械强度和降解速率等性质，并将生物活性分子直接整合到 DNA 序列中或在凝胶化后附着，增强细胞 - 基质相互作用。
2. 酶切割：酶可用于引入对环境变化的响应性。例如，通过在 DNA 网络中引入热响应单元，开发出可逆机械强度的 DNA 水凝胶；Yan 等利用 DNA 超分子水凝胶作为载体治疗骨关节炎，验证了其对细胞的保护作用和潜在治疗机制；Tang 等提出基于 DNA 水凝胶的生物分离系统在纳米医学中具有应用潜力。
3. 化学和物理交联：DNA 水凝胶可通过永久共价键（化学交联）或非共价相互作用（物理交联）形成，化学交联增强机械强度和环境适应性，物理交联提供动态和灵活的特性。

七、生物活性分子的掺入

将生物活性分子掺入 DNA 水凝胶对增强其功能和促进组织再生至关重要。生物活性分子可提供影响细胞行为的生化信号，如增殖、迁移和分化。DNA 水凝胶中生长因子的释放机制包括酶促切割特定 DNA 序列和 DNA 链置换，实现对生长因子递送的精确时空控制。

1. 适配体和响应单元：DNA 适配体可整合到水凝胶中，促进细胞识别和结合。例如，Fan 组利用 ATP 响应性 DNA 水凝胶，通过掺入适配体触发的杂交链式反应（HCR）单元，实现对循环肿瘤细胞（CTCs）的捕获和释放。
2. 生长因子和蛋白质：DNA 水凝胶可修饰以包含促进细胞生长和组织修复的生长因子和蛋白质。例如，将纤连蛋白掺入 DNA 水凝胶可增强神经干细胞（NSC）的附着和分化。
3. 酶响应元件：掺入酶响应元件可实现对封装细胞或分子的可控降解和释放。例如，含有 i - 基序序列的 DNA 水凝胶可响应 pH 变化，释放金纳米颗粒或其他物质。

八、生物医学应用

1. 癌症治疗：物理刺激响应性 DNA 水凝胶在癌症治疗领域展现出巨大潜力。在光热和光动力疗法（PTT 和 PDT）中，水凝胶可负载光敏剂或光热剂，在光照射下释放这些物质，产生活性氧（ROS）或热量，破坏癌细胞。例如，含有黑磷量子点（BPQDs）的 DNA 水凝胶可增强肿瘤细胞对 PTT 和 PDT 的响应性。温度响应性 DNA 水凝胶可在特定温度下释放治疗药物，用于热疗；磁场响应性水凝胶可通过外部磁场精确靶向肿瘤区域，实现局部药物递送；超声响应性水凝胶则可利用超声穿透深组织的特性，实现深部肿瘤的药物释放。这些水凝胶通过外部物理刺激实现精确有效的药物递送，提高了癌症治疗的效果，同时减少了不良反应。
2. 骨组织再生：骨骼损伤修复面临诸多挑战，传统治疗方法存在感染风险、供体部位问题等。骨组织工程利用水凝胶模拟骨 ECM，递送生长因子等物质促进骨骼愈合。理想的骨再生水凝胶应具备促进骨生长、生物相容性好、无炎症反应等特性，同时需要具备一定的机械强度。研究人员开发了多种新型水凝胶，如具有强双网络结构、可自愈合的水凝胶，并通过添加纳米颗粒和聚合物等方式增强水凝胶性能。此外，通过控制水凝胶的孔隙结构，可实现药物的控制释放和营养物质的交换。例如，一种多肽 - DNA 杂交水凝胶可局部调节骨质疏松症患者的骨质量，为骨组织再生提供了新的策略。
3. 皮肤组织再生：慢性伤口愈合是医疗领域的一大挑战，传统伤口敷料存在诸多不足。物理刺激响应性 DNA 水凝胶为伤口愈合提供了新的解决方案，它可负载药物或生长因子，在特定刺激下释放，促进细胞增殖和迁移，加速伤口愈合。例如，一种由 DNA 微支架和治疗性哺乳动物细胞共价组装的呼吸治疗基质，可在体内实现细胞的定位和组织再生；还有研究开发的光热敏感性 DNA 水凝胶敷料，可通过光热效应促进伤口愈合，在糖尿病伤口等复杂伤口治疗中展现出潜力。
4. 神经组织再生：神经系统损伤常导致永久性功能缺陷，传统神经再生方法效果有限。物理刺激响应性 DNA 水凝胶为神经组织再生提供了新途径，它可负载生长因子，在温度等刺激下释放，为神经细胞生长提供支持性支架，促进神经细胞黏附和迁移，减少瘢痕组织形成。例如，一种多功能 DNA 水凝胶具有良好的渗出物吸收、可调加热、机械行为、自愈合、可书写、组织黏附和抗菌等特性，可促进皮肤神经再生和血管生成，为神经损伤修复带来希望。
5. 心脏组织再生：心肌梗死（MI）会导致心肌细胞大量死亡和心脏功能受损。物理刺激响应性 DNA 水凝胶在心脏组织再生中具有重要应用，如温度响应性水凝胶可释放血管内皮生长因子（VEGF）等促血管生成生长因子，促进血管生成和心脏功能恢复；光响应性水凝胶可通过特定波长的光激活，释放封装的生长因子或细胞；磁场响应性水凝胶可利用外部磁场靶向心脏特定区域，实现局部药物递送；超声响应性水凝胶可通过超声