传统上，利用DNA指导的纳米颗粒自组装面临着精确控制纳米颗粒表面修饰和自组装结构的挑战，尤其是在构建具有特定图案和对称性的复杂超结构方面。目前的方法往往难以精确控制纳米颗粒的表面修饰，导致纳米颗粒间的相互作用缺乏特异性和可预测性，从而限制了对最终自组装结构的精准调控。DNA折纸技术与金纳米颗粒的结合为精确调控纳米材料自组装提供了前所未有的手段。
上海交通大学
姚广保
、
刘小果
团队
，通过引入DNA折纸技术，提出了一种创新的“
减材式图案化
”策略，有效解决了上述难题。该策略
利用DNA折纸桶精确控制球形纳米颗粒的表面修饰，实现了对纳米颗粒表面图案的精准调控，并最终成功构建了具有明确几何关系的多维超结构
，例如
类石墨烷的双层超晶格结构
。相关工作以“Prescribing DNA origami barrel-directed subtractive patterning of nanoparticles for crystalline superstructure assembly”发表在《
Angew. Chem. Int. Ed.
》上。
桶状DNA折纸介导的减材图案化纳米颗粒的设计和组装原理
本研究提出了一种利用DNA折纸桶实现球形纳米颗粒表面减材式图案化的新策略，该策略的核心在于利用桶状DNA折纸结构选择性地修饰金纳米颗粒的表面，保留特定区域的DNA配体，从而形成具有可控数量和大小的活性区域。例如，通过DNA折纸桶阻挡纳米颗粒表面的半球区域，即可制备出具有单一活性区域的Janus型纳米颗粒；而通过阻挡纳米颗粒的中心区域，则可制备出具有两个活性区域的对称三嵌段Janus型纳米颗粒。活性区域的角度（α）可通过调节DNA折纸桶的高度和纳米颗粒的直径进行精确控制。进一步地，通过引入DNA连接子，实现了这些修饰过的纳米颗粒在单组分体系中的自组装。该DNA连接子包含锚定链（连接在纳米颗粒的活性区域）、具有自互补结合区域的连接链和用于结构稳定性的双链体链。纳米颗粒间的相互作用由纳米颗粒的尺寸、锚定链的长度和双链体链的长度共同决定，同时，固定的DNA折纸桶也产生了空间位阻效应。通过调节活性区域的数量、大小和DNA连接子的长度，可以平衡DNA修饰纳米颗粒间的吸引力和DNA折纸桶之间的空间位阻作用，从而精确控制纳米颗粒在高级组装体中的配位数。
图1. 桶状DNA折纸介导的减材图案化纳米颗粒的设计和组装原理
桶状DNA折纸介导形成的Janus纳米颗粒结构分析
利用外径60nm、内径48nm、高32nm的DNA折纸桶，通过可编程的“减材式图案化”策略制备了两种类型，不同尺寸的Janus纳米颗粒：Janus型和对称三嵌段Janus型。DNA折纸桶选择性地屏蔽AuNPs表面，留下可控数量和大小的DNA活性区域，实现了对纳米颗粒表面修饰的精准控制。TEM成像以及结合能力测试表明，该策略成功制备出具有单一或两个对称/非对称活性区域的嵌段纳米颗粒，并可通过调节DNA折纸桶高度和金纳米颗粒尺寸精确控制活性区域大小和角度。这些嵌段纳米颗粒可进一步组装成复杂的超结构，展现了该策略在构建具有精确形貌和对称性的纳米结构方面的巨大潜力。
图2. 桶状DNA折纸介导形成的Janus纳米颗粒结构分析
桶状DNA折纸介导形成的Janus纳米颗粒组装建模及相空间预测
为定量研究嵌段纳米颗粒及其高级超结构的组装关系，我们基于经典互补接触模型(CCM)，建立了一个考虑排斥作用的
各向异性接触模型
(RACM)。该模型通过
引入各向异性键合的概念，重点关注几何参数对嵌段纳米颗粒组装的影响
。与仅适用于各向同性球形粒子的CCM模型不同，RACM模型能够准确描述Janus型和三嵌段Janus型纳米颗粒表面活性区域的各向异性键合特性。模型表明，Janus型纳米颗粒的键合能力随着键合角的增大而减弱，并在特定角度下完全消失；三嵌段Janus型纳米颗粒的临界角度则更低，且可通过调节纳米颗粒尺寸进行调控。此外，RACM模型考虑了DNA折纸桶带来的空间位阻效应，能够预测不同DNA连接子长度下嵌段纳米颗粒的配位数和组装体的构型，从一维链状结构到二维、三维复杂结构。通过构建相图，RACM模型能够预测不同纳米颗粒尺寸和DNA折纸桶高度下热力学最稳定的组装体构型，包括链状、树枝状和超晶格等，最终实现了对纳米组装体结构的逆向设计，为理性设计和制备具有特定结构和性能的纳米材料提供了理论指导。
图3. 桶状DNA折纸介导形成的Janus纳米颗粒组装建模及相空间预测
Janus纳米颗粒组装类石墨烷准二维双层超结构
系统研究DNA折纸桶引导的Janus纳米颗粒的一元自组装行为后发现，Janus型纳米颗粒自组装形成的次级结构对其DNA连接子的长度高度敏感。当双链体连接子长度为19nt时，纳米颗粒形成了类似蜂窝状的二维晶格结构；而当连接子长度较短（0nt）时，则由于DNA折纸桶的形变或纳米颗粒错位排列，仅形成短程有序的结构；当连接子长度较长（38nt）时，则会形成结构较为无序的三维组装体。为进一步阐明该蜂窝状晶格结构的特征，我们利用HAADF-STEM断层扫描技术进行了三维结构表征。结果显示，该晶格并非简单的单层结构，而是由
上下两层具有六方对称性的纳米颗粒层以交错方式堆叠而成的类石墨烷准二维双层超结构
。这种独特的结构是Janus型纳米颗粒表面残余的DNA活性区域与DNA折纸桶的空间位阻效应共同作用的结果，同时也受到DNA连接子长度的影响，其长度决定了纳米颗粒间的堆叠方式。这种三配位组装对DNA连接子长度的严格要求与理论模型预测相符。这些结果表明减材图案化策略能够精确调节纳米颗粒单体间的引力与斥力平衡，并最终控制组装体的结构参数。
图4. Janus纳米颗粒组装类石墨烷准二维双层超结构
三嵌段Janus纳米颗粒组装三维超晶格结构
进一步系统探索DNA折纸桶引导的三嵌段Janus型纳米颗粒自组装行为对DNA连接子长度的依赖性。通过调控三嵌段Janus型纳米颗粒的轴向角，并使用不同长度的DNA连接子，我们发现：较短的12nt双链体连接子
促使三嵌段Janus型纳米颗粒形成一维线性链状结构
，平均每条链包含约18个纳米颗粒；而当连接子长度增加至19nt和28nt时，则分别得到高度支化的树状结构和三维无序结构，此转变趋势与理论计算的组装体稳定性相吻合。进一步地，我们
利用具有117度轴向角的三嵌段Janus型纳米颗粒和19nt的DNA连接子，成功构建了尺寸达数微米的多层超晶格结构
。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)断层扫描技术揭示该超晶格结构呈现出独特的多层三维结构，纳米颗粒层以“…ABCABC…”或“…ABAB…”两种堆叠模式交替出现，取决于具体的层间堆叠方式，最终形成类面心立方(FCC)或类六方密堆积(HCP)结构。这一结果表明，
通过精细调控DNA连接子长度，可以有效控制三嵌段Janus型纳米颗粒的自组装行为，并最终获得具有特定结构和对称性的复杂超结构，验证了理论模型的预测
。以上结果进一步证实了纳米颗粒表面减材图案化策略可以探索丰富的组装体相空间，有望成为拓展纳米颗粒超结构组装的强大工具。
图5. 三嵌段Janus纳米颗粒组装三维超晶格结构
小结
本研究一种DNA桶介导的
减法图案化
策略，用于制备
具有区域选择性DNA修饰的纳米结构单元
。该策略类似于传统自上而下”减材制造“，通过
表面工程
精确构建组装结构单元。在此过程中，特定区域的配体失活，从而精确控制DNA修饰的大小和数量。此外，该方法可拓展至非球形纳米颗粒，结合形状各向异性与DNA图案，并可利用多面体DNA模板形成多价态纳米颗粒，为超结构与超材料的构建提供高可行性方法。
