摘要：脱氧核糖核酸（DNA）是自然界中大量生产和存在的一种经过深入研究的功能构建块。DNA是一种具有可控轮廓和持久长度的半柔性聚合物，允许具有一致的弹性特性，满足Onsager理论，即溶致液晶（LC）相在特定浓度以上被诱导。由于LC的集体行为，DNA取向可以通过蒸发

背景介绍

脱氧核糖核酸（DNA）是自然界中大量生产和存在的一种经过深入研究的功能构建块。DNA是一种具有可控轮廓和持久长度的半柔性聚合物，允许具有一致的弹性特性，满足Onsager理论，即溶致液晶（LC）相在特定浓度以上被诱导。由于LC的集体行为，DNA取向可以通过蒸发诱导自组装（EISA）、剪切或在形貌控制的帮助下进行操纵；此外，DNA具有磷酸根离子，这有助于产生总负电荷，从而使DNA成为有吸引力的阴离子构建块。更具体地说，双链DNA（dsDNA）的线性电荷密度为0.59 charges Å-1，单位面积的电荷密度达到253 mC cm-2。这些值表明，dsDNA是一种带电量极大的生物材料，远远超过纤维素纳米晶体等其他带电生物材料20000倍。这意味着DNA可以更有效地与其他阳离子或金属离子结合，从而诱导具有增强性能的DNA基功能材料。

到目前为止，DNA作为基于DNA的凝胶已经找到了潜在的应用。传统上，许多研究都集中在基于DNA的水凝胶上，由于其高保水能力和生物相容性，它们引起了人们的极大兴趣，使其成为药物输送、皮肤贴片和止血等生物医学应用的引人注目的候选者。最近的研究将基于DNA的材料的范围扩展到水凝胶之外，利用了DNA的独特性质，如分子识别和溶致相行为。DNA有机凝胶具有增强的溶剂相容性和可调的机械性能，拓宽了DNA有机凝胶的应用范围。事实上，DNA有机凝胶提供了更高程度的可编程性。DNA通过静电相互作用和氢键整合所需功能，具有优异的分子识别能力。通过二次相互作用，DNA可以很容易地与表面活性剂、金属离子或添加剂相互作用，以可控的方式赋予DNA有机凝胶所需的特性。同时，对溶剂选择性的简单控制也提供了传统DNA水凝胶难以实现的可调性水平。事实上，不同的溶剂表现出不同的物理化学性质，如粘度、溶解度、溶胀比、沸点和冰点。这些不同的特性使设计具有定制功能的可编程凝胶成为可能。过去，有几项有机凝胶研究利用了溶剂的独特性质，并进一步扩展到应用领域。例如，有机凝胶采用了二甲基亚砜（DMSO），因此，有机凝胶可以克服蒸发引起的结构坍塌。类似地，可以引入烃或醇溶剂，如己烷和正丙醇（n-PrOH）。这样做可以解决有关冻结的问题，因为碳氢化合物或醇类溶剂在0°C以下的温度下可以保持完整。与在零下温度下容易断裂的脆性和冰状固体水凝胶不同，之前的报告断言有机凝胶（正十二烷作为溶剂）在-10°C下保持机械稳定性。此外，溶剂的固有特性，如疏水性、亲水性和全向性，可以用于防污和防粘附应用。姜等之前报道了具有显著自我补充防蜡性能的有机凝胶的制备。在他们的研究中，注入原油的PDMS网络有效地减少了石蜡对有机凝胶表面的粘附。低粘附性归因于油渗透到PDMS网络中，油充当润滑剂，从而最大限度地减少了固体/固体接触和粘附。最后但同样重要的是，Smalyukh等人使用纤维素纳米纤维（CNF）和热致液晶流体5CB制备有序向列相液晶（LC）凝胶膜。当温度超过5CB的向列各向同性转变温度（TNI）35°C时，凝胶网络中CNF的取向顺序发生了变化。反过来，这会导致凝胶薄膜的双折射和透射率发生变化。这项研究表明了有机凝胶在柔性显示器和智能窗户方面的潜在应用。总体而言，按需选择溶剂将允许制造用于各种应用的多功能有机凝胶。

本文亮点

1. 本工作通过脱氧核糖核酸（DNA）与含氰基联苯部分的溶致性阳离子表面活性剂之间的超分子相互作用制备液晶（LC）有机凝胶的方法。

2. 所制备的有机凝胶分别在二甲基亚砜（DMSO）中具有主要的粘性行为，在正丙醇（n-PrOH）中具有弹性行为。通过明智地控制粘度，DMSO有机凝胶可以被拉伸形成伸长率高达4.6×103%的纤维，强调了非凡的可拉伸性。

3. 提出了一种可持续的方法，通过临界点干燥（CPD）将n-PrOH凝胶转化为气凝胶，使其能够用作吸附剂，同时提高其可重复使用性。

图文解析

图1. DNA-CB复合物和DNA-CB凝胶的制备。a） DNA-CB复合物是通过DNA-Na和阳离子表面活性剂CB-TEA+之间的静电吸引合成的。b、 c）分别通过DNA-CB复合物的有机凝胶化制备DMSO和n-PrOH凝胶。图示了DMSO和n-PrOH凝胶内分子网络的视觉说明。

图2. 分别对制备的DMSO和n-PrOH凝胶进行表征。a） 通过Hansen溶解度参数（HSP）计算DNA-CB复合物的溶剂相容性。HSP距离越大，相互作用越不利。黑色表示络合物和溶剂之间没有反应。b、 c）分别比较DMSO和n-PrOH凝胶的粘弹性行为。DMSO凝胶显示出粘性主导特征，代表了更像液体的特性。相比之下，n-PrOH凝胶显示出弹性主导行为，显示出类似固体的反应。该示意图突出了每种凝胶的主要流变特性。d） DMSO和n-PrOH凝胶的POM图像。DMSO凝胶显示各向同性相，而n-PrOH凝胶显示双折射纹理，表明其具有各向异性。e） 分别显示DMSO和n-PrOH凝胶的2D SAXS图案和相应的1D强度分布。DMSO凝胶在q=14.3 nm-1处显示峰值，代表π-π堆积。相比之下，n-PrOH凝胶在q=1.7 nm-1处具有额外的峰，这代表了一个周期距离约为3.7 nm的向列相峰，表明分子排列更加有序。q≈4 nm-1处的峰值来自卡普顿磁带。比例尺为d）200 µm（POM图像）。

图3. DMSO凝胶纤维的制备和表征。a） 图示显示，通过简单地拉伸DMSO凝胶，可以拉伸高度排列的聚合物纤维。b） 绘制纤维时DMSO凝胶取向变化的图示。表面活性剂相对于DNA骨架的取向在纤维拉伸时发生变化，从而引起正双折射。c、 d）拉制纤维的POM图像和示出拉制纤维放大倍数的SEM图像。e） DMSO凝胶纤维的z轴拉伸测试，展现出卓越的拉伸性能。f） 通过挤出低粘度（10-20 w/v%）DMSO凝胶进行印刷应用。g） 通过高粘度（30-50 w/v%）DMSO凝胶的模板辅助交织制备纱线。制造的纱线可以承受几克的重量。h） 通过DNA-TEA有机凝胶基质对各向异性金属有机框架（MOF）进行共对准。比例尺为a）1 cm；c） 50 µm（POM图像）；d） 5 µm（SEM图像）；e） 1 cm；f） 1 cm；g） 1 cm；h） 分别为50 µm（SEM图像）、10 µm（POM图像）。

图4. n-PrOH凝胶的制备和表征。a） DNA-CB复合物在n-PrOH中溶剂浸渍后的n-PrOH凝胶图示。b） 使用剪切流变仪对n-PrOH凝胶进行动态力学分析，并与文献中先前报道的其他DNA阳离子表面活性剂有机凝胶进行比较。分别证明了表面活性剂的化学结构。c） 将n-PrOH凝胶成型为狗骨形状。d） 拉伸试验的视觉说明，表明n-PrOH凝胶具有高拉伸性。e） 原始和愈合的n-PrOH凝胶之间的拉伸应力分析，代表了卓越的自愈性能。f） 拉伸试验期间应变变化的n-PrOH凝胶的POM图像。g、 h）n-PrOH凝胶的杨氏模量和韧性。i） 掺入Fe3O4颗粒后n-PrOH凝胶的磁响应行为图示。比例尺为a）1 cm；c） 1 cm；d） 1 cm；f） 500 µm（POM图像）；i） 分别为1 cm。

来源：华算科技