在过去的几十年里，材料科学家和化学家一直致力于为广泛的技术和科学应用设计日益复杂的材料。这些材料包括合成聚合物和水凝胶，可以作为医疗干预的一部分引入人体。

德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所、德累斯顿工业大学和德国其他研究所的研究人员最近设计了具有动态DNA交联基质的新型全合成材料，该材料可用于创建类器官(人造器官)和其他仿生系统。《自然纳米技术》中介绍的这些材料具有通用性、可编程性且相对便宜，这使得它们有利于医学和生物研究。

进行这项研究的研究人员之一ElishaKrieg告诉Phys.org：“聚合物化学可以创造出具有奇妙特性的材料。”“想想像玩具和包装这样的日常产品，还有防弹背心、降落伞、医疗植入物等。但这些材料非常静态——它们的特性不容易改变，一旦破碎就无法自愈，而且它们的特性很难预测。我们的团队试图制造更类似于生命物质的材料：具有适应性、自我修复性，并且经过编程可以实现特定功能。”

DNA纳米技术领域最初由NedSeeman创立，专注于设计和制造具有可能的生物医学和生物物理应用的人工DNA结构。过去的DNA纳米技术研究表明，DNA可以重新编程，以在纳米尺度上控制物质的特性。

Krieg和他的同事Yu-HsuanPeng最近的工作建立在该领域之前的研究成果的基础上。其目标是创建一种可以容纳活细胞的软水凝胶基质，从而可用于工程组织、类器官、医疗植入物和其他生物物理系统。

“我们希望通过使用DNA纳米技术的原理，我们可以精确控制软材料的特性，以最佳方式支持细胞并指导它们的发育，”Krieg解释道。“我们的目标是创造一种完全合成的、生物相容的材料，最重要的是，它的机械行为应该是可调节的，而不会大幅改变其化学成分。最后但并非最不重要的一点是，这种材料的价格便宜对我们来说很重要，正如我们希望未来许多其他团体能够应用它一样。”

为了创造一种多功能、合成、生物相容、可编程且经济实惠的材料，研究人员合并了两种不同的成分。第一个是重的生物功能聚合物链。

“这些聚合物链充当材料的结构支架，”克里格说。“它们具有DNA侧链，可以让更多基于DNA的模块整合到材料中，交联聚合物，并为其补充特定功能。”

该团队材料的第二个组成部分由独特的DNA模块组成。这些模块被插入材料中以对其属性和特性进行编程，使其能够以特定的方式执行，

“一个关键的创新是我们使用基于DNA的‘文库’——DNA链的复杂混合物——这使得交联非常高效，”Krieg说。“DNA文库的序列还控制着材料的重要特性，例如不同温度下的可塑性和刚度。”

Krieg和他的同事创建的动态DNA交联基质被称为DyNAtrix，可用于在实验室环境中培养各种细胞，包括人类多能干细胞和类器官。值得注意的是，他们的材料还具有自我修复功能，并且可以轻松与3D打印技术集成，以生产各种复杂的3D组织和结构。

“在DyNAtrix中培养细胞可以帮助回答发育生物学中的问题，它可以用于培养再生医学组织，或者用患者来源的细胞测试特定候选药物的效果。我的希望是在体外测试药物细胞培养系统有一天将完全取代动物测试。”

该研究团队推出的新材料有可能很快推进生物力学、生物物理和生物医学研究。DyNAtrix是完全合成的、可编程的、易于大规模复制并且可以高精度调整。与基质胶(即从小鼠肿瘤细胞中提取的基质，通常用于在实验室中培养细胞)等动物源性材料相比，它也更容易在临床环境中使用。

在接下来的研究中，克里格、彭和他们的同事计划进一步检验他们的矩阵的实际应用。例如，他们将开始与细胞生物学家合作，帮助他们使用DyNAtrix解决特定的研究问题。

“DyNAtrix的可调节机械特性使其对于回答机械生物学领域的问题特别有趣，例如：机械特性(刚度、粘度、可塑性)如何影响细胞的发育?这些影响在生物体中有何相关性“它们与癌症等疾病有什么相关性?机械环境到底如何刺激活组织的反应?”克里格补充道。

“我们实验室目前的工作重点是扩展DyNAtrix的功能。例如，通过插入荧光力传感器，我们希望可以在显微镜中量化细胞与其环境之间的机械相互作用。”

DyNAtrix矩阵仍处于开发的早期阶段，因为它仍然需要研究人员手动添加DNA模块来诱导材料特性的变化。未来，该团队希望进一步提高其组成和性能，例如通过使用更复杂的基于DNA的反应网络，使其能够自主响应细胞的行为。