哥倫比亞大學工程師3D打印自組裝DNA，使用生物分子代碼大規模生產納米級設備
時間：2025-07-15 10:18 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年7月14日，來自哥倫比亞大學的研究人員正在利用 DNA 自組裝復雜的納米級結構，重新定義 3D 打印的極限，為未來制造比以往更快、更便宜、功能更強大的微型設備打開大門。
相關研究的一部分以題為“Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design ofprogrammable bonds”的論文發表在《Nature》雜志上，另一部分以題為“ArbitraryDesign of DNA-Programmable 3D Crystals through Symmetry Mapping”的論文發表在《ACS Nano》雜志上。
△相關研究論文
本研究主要負責人的是哥倫比亞大學工程學院的化學工程師、布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心負責人奧列格·甘教授，他表示：“我們現在可以用自組裝納米組件構建復雜的三維結構，這有點像納米版的帝國大廈。”
Gang 的實驗室沒有依賴傳統的自上而下的方法，例如光刻技術，因為這些方法難以處理 3D 特征，而且通常需要緩慢的連續制造，而是采用了 DNA 引導的自下而上的自組裝技術。這種“下一代 3D 打印”方法利用水基環境，可以快速、可持續地并行構建設備。
這項創新的核心是微小體素——機械性能穩定、基于DNA的八面體，它們像納米級拼圖碎片一樣緊密貼合。Gang的團隊使用一種名為MOSES（結構編碼組裝映射）的定制算法，可以從所需結構逆向工程這些碎片，從而像納米CAD軟件一樣簡化設計流程。“它會告訴你應該使用哪個DNA體素來構建一個特定的、任意定義的三維層次有序晶格，”Gang說道。
△利用DNA可編程鍵組裝的三維分層有序納米顆粒結構的藝術渲染圖（左圖）。所需結構及其光學反射特性的設計，以及具有反射特性的成型材料圖像（右上圖）。納米顆粒以線狀排列、在光的半波長處分離的已實現結構的電子顯微鏡圖像（右下圖）。圖片來源：Oleg Gang。
每個體素還可以攜帶“納米載體”（例如金納米顆粒或感光材料），從而定制最終結構的屬性，以適應光學、生物傳感和神經形態計算等應用。在最近的合作中，研究團隊利用這種方法創建了3D光傳感器和用于光學計算的結構。組裝完成后，一些設備甚至會被“礦化”：DNA支架被涂覆二氧化硅，然后經過熱處理，制成耐用的無機版本。
Gang說道：“我們正在順利建立自下而上的3D納米制造平臺。我們將其視為納米級的‘下一代3D打印’。通過模擬生物系統并利用DNA可預測的折疊行為，Gang團隊在原子尺度上實現了前所未有的控制。他們通過先進的X射線和電子顯微鏡證實的自組裝結構，預示著高速、環保的納米制造技術的未來，以及其廣泛的工業應用。
用 Gang 的話來說：“這是一個適用于多種不同特性的材料的平臺：生物、光學、電學、磁性。” 以 DNA 為基礎，唯一的限制就是設計。
(責任編輯：admin)
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