《德国应化》：DNA折纸术——在纳米尺度上研究多巴胺光引发聚合反应

来源：高分子科学前沿

背景知识：

“DNA折纸术”是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠，并用短链可以加固，由此绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形。利用DNA折纸术可以构建任意图案且完全可实现物理可寻址。

存在问题：

目前，自下而上的策略通常利用各种构件的自组装能力来生产脂质体、聚合物纳米颗粒等结构有序的物质。虽然这些结构在尺寸、形状和功能上表现出相对较高的均匀性，但是它们通常缺乏多样的形状以及不对称和正交分子修饰的潜力。因此，借助于DNA折纸技术或许可以解决上述问题。

此外，DNA折纸术不仅可以简单的定位对象，而且可能会扩展到进行化学反应，甚至是自下而上的大分子合成。利用DNA折纸上的原位原子转移自由基聚合（ATRP）可以制造具有精确设计的纳米图案的聚合物。由于合成聚苯胺和聚多巴胺等聚合反应都是化学引发，所以无法提供除化学计量之外的其它实时控制。通过施加模仿辣根过氧化物酶活性的引发剂位点，可以在纳米尺度上构建不同形状的聚苯胺和聚多巴胺结构。而利用光化学可以进行实时控制，因为使用光化学产生纳米图案的空间分辨率通常受光波长的限制。因此，通过结合光化学和DNA折纸术或许可以克服上述局限性。

基于此，德国马克斯·普朗克聚合物研究所的Tanja Weil和David Y. W. Ng（共同通讯作者）联合报道了一种利用富含鸟嘌呤的四链体（G4）与嵌入的光敏剂原卟啉IX（PPIX）的光致聚合反应。利用白光照射后产生的活性氧（ROS）来引发多巴胺的氧化聚合反应，并进行时空控制。这些G4序列作为多巴胺的反应中心，以指定的模式排列在DNA折纸表面上。反应中心的排列导致多巴胺聚合，并且由于低聚物的粘附性，使得聚合物可以印在G4图案的顶部。通过这种方法，在DNA折纸技术和光引发聚合领域架起了桥梁，从而创建出远小于光波长的精确模板化的纳米结构。

【图文解读】

解析：在聚多巴胺结构中存在多种化学键，除了共价键外，还存在氢键和π-π堆积等非共价键作用。因而，通常是常将基质浸入多巴胺的碱性水溶液中，但是对聚合动力学和空间分辨率的控制非常差。目前，通常将pH调节至酸性范围以抑制多巴胺的自发自聚合。研究发现，pH=6.5是最具选择性的，且可以同时引发和促进聚合过程。原卟啉IX（PPIX）在光照下可产生ROS，而产生的ROS与咪唑发生反应，将N，N-二甲基亚硝基苯胺（RNO）漂白氧化，但是在无光照的情况下不会发生反应。因此，开发了一种光敏剂介导的系统，通过可见光照射被激活。

在光照射下，通过PPIX生成ROS并随后氧化多巴胺，通过记录UV/Vis光谱、跟踪氧化物种（多巴氨基铬）、前体低聚物和聚多巴胺的增加来监测反应进程（图1B）。为了直接确认存在聚合物并验证其位置，通过AFM测量记录了所得结构的地形图（图1D和1E）。两种结构的高度图剖面都显示出一个增强的峰，该峰位于G4序列处，并促进了反应。因此，氧化的多巴胺物质主要在反应中心产生，随后的聚合反应优先在附近发生，从而导致聚合物以指定的图案沉积。

图1、DNA折纸的光引发多巴胺聚合的示意图和表征

解析：为了实现聚多巴胺在DNA平台上的精确定位，以及利用光对时间进行控制，将含有tube I的反应混合物交替暴露于可见光或保持黑暗。为了观察聚合过程，在不同的时间点记录了吸收光谱（图2 A-C）。发现在不存在光的情况下，几乎不形成氧化物种和起始的有效抑制。通过增加相对吸光度，发现是逐步引发的过程，通过简单的光源开关来实现时间控制（图2C）。除定性检测外，还通过AFM研究了对聚合物密度和高度的影响（图2D和2E）。经过一个周期的黑暗阶段和辐射阶段后，初步发现形成了聚多巴胺。在连续的黑暗和辐照周期循环下，发生了广泛的聚合物覆盖，相应位置的平均高度增加了10 nm，总高度增加了15 nm（图2E）。

图2、有无光照对整个系统的影响

解析：DNA折纸是一种精确的功能纳米材料，可用于各种生物医学和化学应用，但非常需要避免固有的稳定性问题，以及在各种环境中稳定且可用的纳米材料。因此，聚多巴胺涂层被认为是一种有助于稳定性的合适工具。通过重复旋转过滤将裸折纸管和聚多巴胺修饰的试管结构从存储缓冲液中转移到实际上纯净的水中，并将这些混合物在高温下孵育数小时（图3）。处理后未修饰的DNA管的地形图显示，几乎所有物体的完整性都会下降，而带有聚多巴胺中心环的管不太易受到离子环境变化的影响。因此，当聚多巴胺沉积在DNA折纸上时，可以保持DNA结构的完整性。

图3、Pp4N和GNR-PEO2000的抗菌效果

【小结】

综上所述，作者首次报道了在3D DNA折纸模板上进行光引发的聚多巴胺聚合反应，以创建精确的纳米结构。得益于DNA折纸术的独特性和利用可见光作为外部刺激物可实现纳米级时空控制的可调节性，各种DNA折纸模板均配备了G4二级结构模式，这些结构与嵌入的光敏剂原卟啉IX一起决定了聚多巴胺的局部受限形成。通过抑制多巴胺在弱酸性pH下的自聚合并简单地接通和关断光，可以调整聚合物的特性（密度和高度）。DNA折纸术与可见光引发的聚合相结合，可以创建精确的光图案化3D纳米结构，其尺寸远低于100 nm，远小于光的波长。此外，聚多巴胺的沉积增强了DNA折纸的稳定性，甚至可以承受纯水条件，从而扩大了其应用范围。因此，该技术可作为在纳米尺度上开发DNA基器件的高级工具，这些器件具有定制的特性和稳定性。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201911249