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(guī)模生產(chǎn)納米級設備

2025年7月14日，南極熊獲悉，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(jié)構(gòu)，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(fā)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(fā)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(xiàn)在可以用自組裝納米組件構(gòu)建復雜的三維結(jié)構(gòu)，這有點像納米版的帝國大廈�！�

Gang 的實驗室沒有依賴傳統(tǒng)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(xù)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(huán)境，可以快速、可持續(xù)地并行構(gòu)建設備。

這項創(chuàng)新的核心是微小體素——機械性能穩(wěn)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(jié)構(gòu)編碼組裝映射）的定制算法，可以從所需結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的藝術渲染圖（左圖）。所需結(jié)構(gòu)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(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的屬性，以適應光學、生物傳感和神經(jīng)形態(tài)計算等應用。在最近的合作中，研究團隊利用這種方法創(chuàng)建了3D光傳感器和用于光學計算的結(jié)構(gòu)。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(jīng)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(tǒng)并利用DNA可預測的折疊行為，Gang團隊在原子尺度上實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，預示著高速、環(huán)保的納米制造技術的未來，以及其廣泛的工業(yè)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。