智能材料仿生构思

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20 0 2年第 2卷第 7期 l

智能材料仿生构思 自然永远是人类的灵感之源，她巧妙地运用有限的构 筑板块如蛋白质、多糖和脱氧核糖核酸 ( NA)等，组建 D

学家们还制备了含双链 D NA碎片的杂化材料，用于迅速测定能与天然 DNA相互作用的不同物种，可望在制药工业用于促进新药开发。人们进一步将寡核苷酸衍生物附着于刺激响应高分子，开发了有多维传感行为的“巧”诊断灵 装置。

成非常复杂的系统。自然界的所有过程均为循环过程，其每次循环通常过程缓慢，消耗极小能量，但由此所生成的天然材料，不仅在纳米尺度上结构可控，而且在宏观上表现出完美的功能。自然正是这样将有限的构筑板块组装成

1 2 DNA基纳米材料 . 纳米技术涉及操纵和构筑纳米尺度的材料和装置，这是个相当新的领域，它与各种材料与工程领域交叉。D NA具有独特的物理化学、生物和催化性能，其寡聚物和聚合物很适宜制备纳米材料。D NA还可作为支架材料制备其他纳米装置，且将分子种在三维空间精确定位。一旦不再需要时，此支架能以热、酶解或水解除去而得最终纳米产品。 对于信息存贮和计算系统，天然 DNA功能主要在于信息存贮介质。一微小单链 DN的信息容量相当大，连成线 A型的四种常遇到的核苷酸残基的可构建 6 0 0 (个不同 50 4)的八聚体。DNA在某种意义可看作“子条码”分，能作为亚微观标记，因为这种标记相当稳定，易于用聚合酶链反应 (C P R)复制或扩增，微量 DN材料用于多种用途的离 A散标记条目或物质。人们将 D NA标记与刺激响应“发触物”或“开关”装配用以调控 P CR向下游扩增与否。此类

具有阶层结构的细胞、组织、器官。受此启发，人类期望 从仿生角度构思和设计智能材料。

1生物信息 生物体均存贮信息，脱氧核糖核酸存贮

信息期很长。 此信息用于增强生物体的生存机会，因为基因程序使生物体适于在此存活，DN起着重要甚至尚未认识的作用，例 A如基因库的特性存贮就是便于一代代遗传下去。 从高分子材料科学观点看，DN是生物大分子。在其 A原来的环境或缓冲介质中，DNA双螺旋的两条糖一磷酸盐 链以方向相反但相互平行的方式围绕共同中轴缠绕或右手

螺旋，双链由氢键相互联系，大分子疏水内部排布着互补的碱基对。DN的单链可视同磷酸盐和核苷残基组成的缩 A聚物，其糖一磷酸盐主链上有 4个不同的核碱侧基，即腺嘌呤核苷 (、胞苷 ( ) A) C、鸟苷 ( G)和胸苷 (。DN T) A既是一序列确定的共聚物也是一功能高分子。因为它的主 链荷负电，DNA是聚阴离子。 DN能被水解和酶切，属生 A

“灵巧标记”将提供涉及标记试样历史的深层次传感信息。 值得指出的是核酸和硅技术结合构筑的杂化计算机将在 2 1世纪出现。基于生物化学反应的单 D NA链多重复制，可容许大量平行计算操作。它较现在最先进计算机容量大得多， 其实现有赖于 D NA和材料系统的成功结合。

物降解材料。单链 DNA可合成双螺旋几何图形，称为杂交，这是可逆过程，它使 D NA发挥灵巧聚合物和刺激响应 材料的功能。DN的智能度亦由此大分子的初级结构复杂 A 性变化而协调。

13 .

由 DNA构筑新材料

D NA大分子的信息含量高，它具有智能性，利用 DN A

既然 D A大分子本身具有智能性。如何将其引入先进 N

双链体的刺激响应性，先在适宜客体聚合物存在下使双链 DNA变性，随之缓慢退火，使双链体结构交联，改变退火 条件，制得的材料会具有不同结构。 D NA的钠抗衡、离子

材料系统，使其具有商业价值，这就需将生物大分子与合成高分子材料螯合，美国杜邦公司正从事这方面研究与开发。 下面介绍相关工作的梗概。

与亲脂性交换，可使其溶于有机溶剂，此类超分子材料的物理性能有待研究。多层结构物界面区域内 DNA的定

位可

1 1诊断用生物传感器和杂化材料 . 随着基因测序的完成，我们最终即可定位装配我们基因，开辟预测、诊断和预防许多病变的新途径。将一定长

孕育新材料体系，它们在控制条件下能可逆地或不可逆地 分离成层，DN也是一种液晶聚合物，根据外界条件呈现 A许多相转变。这一行为可使杂化材料几何形状多样化。 人类大脑可贮存从数秒的短期信息到一辈子的信息， 信息源自我们的传感系统，经分级再以不同方式处理。再 一

度与序列的寡核苷酸“针”共价键合在高分子、膜材、探 电极、胶粒和光纤上，可为亲和生物传感器的开发创造条

件。它们能检测与基因疾患或致病生物体对应的独有的互 补 D NA链。此类新材料与其目标结合时的电化学、光谱、 干扰等的变化能实时监测。但仍需开发能原位检测人病原体和生物战药剂的便携式生物传感器如人们利用光刻技术

次出现同一情况时能加以复制，并且能响应长期荷载而

重建，且进行预测。大脑还有响应功能，会尽可能准确地预示未来。因而人们试图将此类功能度一灵巧度一智能性 赋予材料。

将数百万寡核苷酸链装配在硅片上构筑了“生物芯片”。科