综述：迈向混合DNA水凝胶传感器：利用DNA折纸和水凝胶系统实现传感技术

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Towards hybrid DNA hydrogel sensors: Sensing with DNA origami and hydrogel systems

　　

王可卿|赵久红|焦浩铮|王书文|郝文展|凌桂霞|张鹏

沈阳药科大学创新学院，中国沈阳文华路103号，110016

摘要

传统的传感平台往往难以同时实现精确的分子识别并满足实际应用的严格要求。有趣的是，DNA折纸水凝胶作为一种纳米技术的先进成果应运而生。依靠DNA折纸技术，可以实现对化学计量比和结构的纳米级控制，用于构建定制的传感框架。当与三维（3D）水凝胶结合时，这种技术不仅具备了纳米级的精确度，还具备了生物相容性和响应性。这在分子组织、信号放大和多功能集成方面带来了协同优势，克服了传统传感技术的局限性。本文综述了DNA折纸技术的最新发展状况、其生物传感构建策略以及基于水凝胶的传感平台，并探讨了DNA折纸水凝胶的协同优势及相关研究进展。总体而言，本文提出了新的视角，推动了DNA折纸水凝胶在高灵敏度和可扩展生物传感应用方面的发展。

引言

近年来，纳米技术的进步使得高度敏感的生物传感平台得以发展，这些平台能够在无需扩增的情况下检测生物分子[1]。具体而言，几种基于纳米技术的传感策略已在生物分子检测中得到广泛探索和应用，包括基于贵金属纳米粒子的传感[2]、量子点（QD）光学传感[3]、基于碳纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）的电化学传感[4],[5]以及半导体纳米材料传感[6],[7]。这些基于纳米技术的传感平台各自具有独特的功能优势：贵金属纳米粒子的强等离子体响应适用于无标记检测；量子点的光稳定性和可调发光适用于荧光传感；碳纳米材料的高导电性和大表面积适用于电化学信号增强；半导体纳米线的超高表面积适用于高效分析物相互作用。尽管具有这些优势，但由于结构不稳定性、生物相容性问题、功能化挑战以及重复性问题，这些技术在复杂生物环境中的实际应用仍受到限制[8]。这些局限性突显了需要一种结合了纳米级精确度、可编程性和三维（3D）结构多样性的传感架构的需求。

在这种背景下，将DNA折纸与水凝胶基质结合的混合系统应运而生，它们兼具纳米级可编程性和三维结构多样性。DNA折纸提供了可编程的纳米级架构，能够精确控制功能元素的空间排列、实现高水平的分子寻址和可控动态[9],[10],[11]。另一方面，DNA水凝胶形成了具有生物相容性的三维、响应刺激的网络，能够稳定嵌入的组件[12]。通过将DNA折纸集成到水凝胶基质中，这些混合系统结合了折纸的纳米级可编程性和模块化特性以及水凝胶的结构多样性和响应性（图1）。这种集成实现了层次化的信号放大、增强的分子识别能力和多功能传感能力，超越了单个组件的性能。虽然仍处于探索阶段，但DNA折纸-水凝胶复合材料为克服折纸的机械脆弱性和传统水凝胶的有限可编程性等局限提供了前瞻性的平台。

DNA折纸的高度结构精确性源于其设计策略：它依赖于一条长生物支架链，通过许多短合成固定寡核苷酸引导其形成特定形状[13]。这种模块化设计还允许每个合成寡核苷酸针对特定功能进行定制。就像电子面包板一样，DNA框架上的定义位置可以承载多种组件，构建具有编程行为的架构[14]。这些结构优势使得DNA折纸不仅可以作为一个精确的纳米制造平台，还可以作为功能性传感应用的多功能基础（图2）。当集成到水凝胶基质中时，DNA折纸框架能够在含水的三维环境中保持结构准确性和功能完整性，进一步提升生物传感器的性能和稳定性。

本文采用渐进式结构组织，涵盖了基本原理、独立系统分析、集成系统讨论以及未来挑战和展望。总体框架旨在反映该领域的当前发展阶段，强调DNA折纸-水凝胶传感平台建立在两种系统的成熟基础上。首先介绍了DNA折纸的基本概念，特别强调了其可编程的纳米级精确性和结构多功能性。随后讨论了用于多种生物传感应用的DNA折纸纳米结构的构建和优化策略，并突出了其在分子识别、信号转导和目标扩增方面的独特优势。在此基础上，进一步分析了水凝胶作为生物相容性传感平台的特性，包括传统可调控水凝胶和内在可编程DNA水凝胶。接着介绍了新兴的DNA折纸水凝胶类别。需要注意的是，大多数现有研究仍处于早期阶段，主要集中在材料级集成或负载验证上，而非完全工程化和功能集成的传感系统。尽管如此，通过将DNA折纸的精确空间控制与水凝胶的三维响应特性相结合，这种混合平台被认为在实现高灵敏度和多功能生物传感方面具有巨大潜力。最后，还总结了该领域目前面临的主要挑战以及未来的前景、趋势和应用方向。

章节摘录

生物传感策略原理

在生物传感系统中，识别组件（通常包括适配体、DNA酶和抗原-抗体复合物）负责选择性地识别目标分析物，而转导组件则将这些分子识别事件转化为可量化的物理或化学信号。从设计角度来看，有效的生物传感策略需要合理地将这两类组件集成到明确的传感界面中。

用于生物传感应用的DNA折纸纳米结构

在过去几十年中，DNA纳米技术，尤其是DNA折纸技术，已成为开发纳米级生物传感系统的关键平台[9]。折纸技术通过DNA碱基配对实现了对纳米结构的精确控制，并便于放置传感元件、生物识别单元和信号转导模块。尽管大多数研究聚焦于独立的DNA折纸系统，但其模块化和可编程性使其易于与水凝胶结合：

可修饰的传统水凝胶

水凝胶是由聚合物链、纤维或颗粒分散在水中形成的柔软、含水的材料，构成三维多孔网络[64],[65]。与传统材料相比，水凝胶的特点是能够吸收大量水分或生物液体的同时保持结构完整性，同时具有柔软的质地、高水分含量和类组织的生物相容性[66]。它们的结构多样性主要由聚合物基质类型决定：

发展现状和特性

将DNA折纸与水凝胶结合代表了先进生物材料的前沿方向，它将纳米级结构可编程性与宏观尺度功能适应性相结合。与传统水凝胶和DNA水凝胶相比，DNA折纸水凝胶在关键性能上展现出显著的协同优势和权衡（图10）。具体来说，DNA折纸组件基于沃森-克里克碱基配对原理，能够精确制造预定义的二维或三维纳米结构：

结论

本文系统总结了DNA折纸的结构可编程性和水凝胶的平台的功能性，并重点介绍了将两者协同整合以构建用于生物传感应用的DNA折纸-水凝胶混合系统的设计策略和当前研究进展。通过结合DNA折纸的纳米级精确性和水凝胶的结构多样性与生物相容性，这种混合材料理论上能够实现精确……

CRediT作者贡献声明

王可卿：撰写——初稿。张鹏：撰写——审阅与编辑。王书文：撰写——审阅与编辑。焦浩铮：撰写——审阅与编辑。凌桂霞：撰写——审阅与编辑。郝文展：撰写——审阅与编辑。赵久红：撰写——初稿，概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。