科学研究

近期，祥符实验室与清华大学、上海交通大学、中科院长春应化所等科研团队合作，全新开发出一种稀土等金属离子引导的DNA多尺度有序组装及连续纺丝制备技术，实现了具有高拉伸强度和高韧性的DNA长纤维规模化制造，其综合性能超越尼龙6、蚕丝、人造蛛丝等纤维。该工作首次验证了生物质DNA可规模生产高性能纤维材料的可行性，为推动DNA纤维材料走向高技术产业应用迈出了关键一步。该项研究成果已发表在领域内顶级刊物Cell系列期刊《物质》（Matter, 2024,7, 1–14.）上。

因具备优异的序列可编程性和生物相容性，DNA分子在高技术材料领域的研究和应用备受瞩目。在分子尺度层面，规则的周期性双螺旋结构赋予了DNA分子优异的微观力学特性；在宏观尺度层面，制造能继承其分子级优异机械性能的DNA块体材料仍是一项极具挑战性的工作。同时，当下主流的DNA分子多级有序组装策略高度依赖复杂的序列设计，这直接导致了DNA材料规模化制备的难度和生产成本呈指数级放大。因此，推动DNA材料走向高技术产业应用的关键，在于发展一条实现高机械性能DNA材料连续宏量制备的全新技术路线。

本研究通过应用稀土等金属离子诱导DNA多尺度有序组装及连续纺丝制备技术，实现了高强韧DNA纤维的规模化制造。实验过程数据表明：在金属离子多重作用力引导下，受控DNA可快速完成分子堆积、纳米束形成、微米级丝束有序排列的三级组装过程。该过程较好地保留了DNA周期性螺旋结构，促进了DNA分子各向异性组装和长程有序结构形成。实验结果表明：不同金属离子与DNA磷酸骨架具有不同的梯度式亲和能力；该亲和能力可以合理调控DNA纤维内部的核壳结构，并扩大了DNA纤维力学性能的优化空间。应用该技术路线制备的DNA纤维具有优异的宏观力学性能：密度低、拉伸强度高达513MPa，韧性超过100 MJ m^-3，硬度高达5-10GPa，微观弹性模量40GP以上；各项性能指标均已超越同等测试条件下的聚氨酯、尼龙6、蚕丝、重组蛋白丝等主流材料。更为重要的是，通过应用该技术，仅使用50毫克DNA即可实现1000米长纤维的连续制备，辅以后续加捻与编织工艺，可轻松实现5000倍自身重量以上的重物负载。

图1. 稀土等金属离子引导高强韧DNA纤维连续纺丝和宏量制备

应用此工艺，高强韧DNA纤维的宏量制备和可靠性生产，在技术上不再依赖复杂的DNA序列设计；在原料来源方面，可降解、可再生、来源广泛、经济性强的生物质DNA样品均可用于纤维组装生产。该项成果进一步推动了DNA纤维材料迈向高技术产业应用。

本工作由清华大学化学系刘凯教授、张洪杰院士团队、中科院长春应化所王帆研究员团队、上海交通大学樊春海院士团队与祥符实验室共同完成。