通过快速收缩诱导缠结实现类橡胶的 DNA 水凝胶

一种新型环保橡胶

我们日常使用的大多数塑料和橡胶都来源于化石燃料，并在环境中存在数十年甚至更久。该研究表明，一种更常见于作为遗传信息载体的物质——DNA——可以被制成一种坚韧、有弹性的类橡胶材料，其成分主要是水。如果这种“DNA 水凝胶”能实现规模化生产，它可能为软体机器人、医疗器械以及目前依赖石化塑料的其它技术提供一类可持续、可生物降解的新材料。

将遗传物质转化为日常材料

DNA 在所有生物体中以巨量自然存在，从鱼类到植物与细菌均有分布。理论上，只要地球生物质中的极小一部分 DNA 就能替代当今大量的合成塑料。但迄今为止，仅由 DNA 构成的大块材料更像是易碎的果冻而非固态橡胶，容易撕裂且缺乏刚性。本研究团队旨在解决这一问题：他们希望将长链 DNA 从一种生物学上的好奇心转变为实用且坚韧的材料，而无需大量外来化学物质或复杂的分子设计。

快速收缩：坚韧性的关键

这项工作的核心概念称为快速收缩诱导缠结（fast-shrinking-induced entanglement，简称 FaSIE）。研究者从高浓度的长链 DNA 溶液开始，这些 DNA 链通常来源于如鲑鱼精子等材料。链条已经部分互相缠绕，就像锅里煮得过头的意大利面。然后他们向 DNA 溶液上加一层特殊液体混合物，该混合物能迅速抽出水分，使体积在数秒内缩小约一半。由于收缩发生得非常快，DNA 链来不及相互滑移以放松，而是在仍然纠缠的状态下被挤压到更小的空间，从而大幅增加互相锁住的程度。

来自水基凝胶的类橡胶性能

团队对这种新型 DNA 水凝胶在拉伸、压缩和重复循环载荷下的性能进行了精确测量。与通过常规化学键合制得的标准 DNA 凝胶相比，快速收缩得到的样品展现出显著更高的坚韧性：在断裂前可伸长超过初始长度的十倍以上，能在高压下保持不塌陷，并能迅速恢复，永久变形非常小。显微观察显示材料具有致密且均匀的结构，未见明显孔隙，并在较宽的温度与酸碱范围内保持稳定。力学测试与理论估算均指向同一结论：材料优异的性能主要源于大量的缠结——每条 DNA 链上的缠结数以百计——而非传统的化学交联。

调控、打印与为新材料赋能

研究者还探索了如何调控并利用这种基于 DNA 的橡胶。他们发现，起始时使用更高浓度的 DNA 溶液和更长的 DNA 链能使凝胶更为刚硬和坚固，其性能可与一些最坚韧的合成水凝胶相媲美。为使材料在水中长期稳定，他们在快速收缩步骤后加入了镁离子和温和的交联剂，这有助于抑制过度膨胀同时保留弹性。由于原始 DNA 溶液在受压时像浓墨般流动，团队将其用于高分辨率 3D 打印：他们打印出微小的晶格结构，然后触发快速收缩，将特征尺寸锐化到数十微米，这是水凝胶打印报道中的高分辨率之一。通过在收缩前混入磁性纳米颗粒，他们甚至制造出一个柔软的基于 DNA 的“机器人”叉，能在磁场作用下举起小物件。

超越 DNA：绿色材料的更广泛工具箱

通俗地说，这项研究表明：如果取非常长的天然分子，快速将它们压在一起以阻止解缠，然后将该状态固定下来，就可以把水溶液变成一种有弹性、类橡胶的坚固固体。作者不仅用来自不同动物来源的 DNA 展示了这一点，还用其他长链天然聚合物（如褐藻酸盐和透明质酸盐）验证了相同的快速收缩配方也能带来强度和韧性的显著提升。这表明了一条通用的绿色材料路线：通过利用生物分子的天然长度与巧妙的加工方法，而不是大量化学改性，我们或许能用自然界大量生产并能安全回收的物质来构建下一代软体机器人、医疗植入物和柔性设备。}

引用: Lin, Z., Fang, S., Huang, Q. et al. Rubber-like DNA hydrogel enabled by fast-shrinking-induced entanglement. Nat Commun 17, 1643 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68363-x

关键词: DNA 水凝胶, 可持续材料, 聚合物缠结, 3D 打印, 软体机器人