功能核酸DNA水凝胶的理化特性及应用进展

马翾,张洋子,许文涛,2*

1.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083；2.中国农业大学,农业农村部农业转基因生物安全评价(食用)重点实验室,北京 100083

DNA作为一种多功能生物大分子，特殊的分子结构决定其具有多种生物学性质[1]。DNA简单有序的分子结构以及氢键、离子键等非共价键之间的相互作用，使DNA在机体的生理环境中保持高度稳定性；DNA骨架上高电荷密度的磷酸基团赋予了DNA优异的灵活性和生物相容性；此外，碱基序列的可编程性和经典的碱基互补配对原则赋予了DNA精确的识别能力和高通用性[2-4]。这些优良属性为DNA从生物化学领域拓展至纳米材料领域提供了基础，如将DNA引入水凝胶结构可融合精确的可编程性，包括设计富鸟嘌呤(G)序列以提高水凝胶载体对金属离子的敏感性，使携有荧光基团的随机单链配对形成双链成胶以实现响应型检测等[5]。

DNA水凝胶是一类高度交联的多孔纳米材料，三维网络和多孔架构赋予其高负荷容量、优异的机械稳定性和粘弹性等[6]。而且，随着功能核酸的引入，尤其是借助能够可逆控制的核酸结构，使得DNA水凝胶获得可设计的刺激响应性能从而开发智能纳米材料和形状记忆装置[7-8]。然而，由于体内环境复杂及成胶机理不清等问题，目前功能核酸DNA水凝胶在药物和基因靶向递送、生物传感、仿生组织的制备中的研究与应用仍处于初级阶段，在设计、开发DNA水凝胶时还需要从多方面考虑其理化性质[9-12]。如应用于靶向药物、基因递送时，除了凭借功能核酸高度的靶向特性，纳米材料的机械性能和降解速率也是完成有效递送的关键因素[13]。

基于此，本文综述了功能核酸DNA水凝胶的理化性质，总结了DNA赋予水凝胶材料的特异性、靶向性、生物相容性、可降解性、特殊的形貌特征和一定的机械强度等独特属性，从而清晰地定位DNA作为纳米材料的优势，以期为功能核酸DNA水凝胶的设计与组装提供理论依据；并综述了功能核酸DNA水凝胶目前在组织工程、生物传感、纳米开关、控释系统和靶向响应检测等领域的应用进展，旨在更好地明确DNA水凝胶在分子检测、生物医学等领域的发展方向。

1 DNA水凝胶的理化特性

功能核酸DNA水凝胶不仅凭借功能核酸良好的生物相容性、可降解性和特定的功能序列来传递和响应环境信息、维持结构稳定性以及调节水凝胶的收缩与膨胀等，而且还兼具了水凝胶材料的柔软性和遇水溶胀性。对功能核酸DNA水凝胶理化特性的研究将为其在实际应用中的设计提供重要依据。

1.1 可变的尺寸大小及形貌结构

DNA水凝胶的尺寸大小和形貌特征依赖于DNA链的长短、浓度和序列设计，可使用扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM)、原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)和动态光散射等表征手法确定DNA水凝胶的微观形态和平均粒径。DNA分子的碱基堆积力和双螺旋结构赋予其独特的刚性，以此DNA水凝胶表现出长链分子的形貌柔软性和构象。如图1所示，通过交联制备的DNA水凝胶表面光滑且多孔，在SEM下还显示出独特的三维珊瑚状结构[14]。单链DNA(single-stranded DNA，ssDNA)因其刚性驻留长度仅为4 nm，相较于双链DNA(double-strand DNA，dsDNA)(刚性驻留长度为50 nm)柔性更好，因此将dsDNA分子弯曲成圆形所需的能量大约是ssDNA的50倍[15-16]。所以，常采用大量ssDNA致密地连接成水凝胶，图2中便是将合成的分子内及分子间2种不同构型的G-四联体(G-quadruplex，G4)序列进行滚环扩增反应(rolling circle amplification，RCA)得到的长ssDNA，达到一定浓度后聚集产生紧密程度不同的DNA纳米花，结果表明分子间G4水凝胶比分子内的结构更致密[17]。

图1 在扫描电子显微镜下具有三维珊瑚状结构的多孔状质粒DNA水凝胶图像[14]Fig.1 Scanning electron microscopy (SEM)images of the porous plasmid DNA hydrogel with three-dimensional coralline structure[14]

图2 经滚环扩增反应得到2种构型的长ssDNA聚集而成的纳米花SEM图像[17]Fig.2 Nanoflowlers SEM images of two different configurations of long ssDNA assembled by rolling circle amplification[17]

基于DNA分子的弯曲性和序列可变性能够设计出形状可控型DNA水凝胶。在研究基因递送载体时，Li等[18]通过使用2种Y形DNA单体(A单体和B单体)和DNA接头在一步反应中实现自组装，组成DNA水凝胶。DNA水凝胶尺寸的大小可以通过改变2种单体的浓度比例调节[19]。其中，A单体的3条ssDNA都具有粘性末端，作为结构单元能够与接头杂交；B单体仅具有1条带粘性末端和1条能与适配体特异性结合的链。而二硫键凭借能在血液循环中保持相对稳定并被细胞溶质中的还原剂谷胱甘肽(gutathione，GSH)切割裂解的功能性，成为在琼脂糖凝胶中检验DNA水凝胶在细胞内还原环境中是否可降解的基础[20]。将二硫键连接到Y形DNA单体和接头中，一旦出现GSH，则通过自组装形成尺寸为144 nm的球形DNA水凝胶，当其尺寸过大时，可发生裂解，表明二硫键被GSH切割，从而促进内部治疗基因的选择性释放。同时，借助指数富集后能靶向人肺腺癌细胞系A549的适配体，通过将这些功能化适配体掺入构建单元设计有效的基因递送水凝胶[21]。

DNA水凝胶尺寸的快速调节是开发仿生装置(如人工肌肉)的重要条件[22]。ssDNA在无任何化学修饰时随机组装缠结成的交联网络结构对盐和酸碱度的变化有强烈的敏感反应，即在生理条件下(pH 7，[Na+] = 0.15 mol/L)显示出在长度上的快速响应，这种反应来自DNA磷酸基团的静电排斥和柔性DNA骨架上碱基对的疏水相互作用[23]。若开发具有合理响应性的水凝胶，还需要了解其物理性质。Simon等[24]向利用荧光基团(红色荧光)修饰的适配体构建出的功能核酸水凝胶中嵌入直径为210 nm～3.2 μm的荧光微珠，这种具有荧光特性DNA水凝胶的溶解时间随微珠尺寸的增加而增加，并呈现出被搭载物的尺寸阈值释放行为。此外，DNA水凝胶的尺寸是保证其在细胞中被摄取和输送的一个关键特征，应用于组装工程的水凝胶孔隙需要控制在20～100 μm之间，而应用于药物递送则需要更小的孔隙，以便小分子能在水凝胶的网状结构内保持有效载荷[25-26]。

DNA构建单元可进行调整的主要原因有以下2点:①水凝胶的三维网络中以水为分散介质，通过亲水和疏水相互作用使得溶胀-收缩灵活;②作为水凝胶骨架或交联剂的DNA链可通过扩增过程调整产物的长短和浓度，使得网络结构的疏密程度不同，从而可用于包埋药物及其体内运输。

1.2 机械性能

DNA作为水凝胶构建材料，除了具有序列可设计性、精确识别能力、高度相容性等特性，dsDNA的刚性结构还赋予了DNA水凝胶较为优异的机械性能。通过调节DNA浓度、膨胀率、粘度和交联剂比例等组装条件能够获得理想的水凝胶网络结构和机械强度[18]。DNA水凝胶能够应用于细胞及体内，与其机械性能密不可分，如模拟天然组织的弹性、基质刚性都能决定小分子药物在细胞内的收缩、迁移和定殖[27]。在研究中，可通过酶促诱导使Y形DNA单体和接头组装形成DNA水凝胶，再通过改变Y形DNA单体和接头的比例来精确调节水凝胶的机械强度[28]。此外，温度也被认为是调节水凝胶机械性能的外在条件，如热响应的可切换水凝胶[29]。

DNA水凝胶的机械性能除了根据碱基序列和交联结构变化，在含水介质中依赖于离子浓度和交联剂的溶胀能力也能够辅助包埋物释放和适应运输环境。Um等[13]在研究支链DNA单体组装对DNA水凝胶理化性质的影响时，利用X形、Y形和T形DNA单体(X-、Y-和T-DNA)作为构建单元形成水凝胶，并分别在干燥条件和含水条件下测量了其外部和内部性质。结果显示，溶胀的X-DNA水凝胶在所有DNA水凝胶中显示出最强的拉伸模量和最低的拉伸强度，从而也反映出柔性X-DNA能强烈抵抗变形。结果表明，在线性范围内，交联的DNA分子在给定应力下更能抵抗恢复至原始形状。同时，在设计热和酶响应型自组装DNA水凝胶时，凝胶强度也随着DNA浓度的增加而增强[28]。

1.3 特异性和靶向性

DNA水凝胶的特异性是指利用DNA可编程的碱基序列赋予其特定的遗传信息或识别功能；靶向性则通过选择不同的特异性DNA适配体作为靶向识别分子构建DNA水凝胶，使DNA水凝胶成为靶向基因的递送载体。在设计用于构建DNA水凝胶的核酸序列时，可引入特异性的功能核酸序列，如具有优异分子识别特性的核酸适配体、DNA核酶、G4、i-motif等[30]。通过功能核酸对外界环境(如pH、光、热、磁和金属离子等物理条件)的响应，可以实现水凝胶在不同相态之间快速切换，这对于靶向控释具有积极意义。Zhang等[10]将Y-DNA与凝血酶核酸适配体连接组装成具有刚性空间的功能核酸DNA水凝胶，可用于包裹小型的金纳米棒(Au nanorod，AuNR)。当凝血酶存在时，适配体不再与DNA单体结合而导致DNA水凝胶分解，使带负电的AuNR被释放到溶液中与带正电的量子点之间产生静电相互作用，从而发生荧光共振能量转移的淬灭现象以检测血清系统中的凝血酶含量。此外，根据适配体的靶向作用，向大小可控的DNA水凝胶中直接添加对人肺腺癌细胞系A549有特异性的核酸适配体和治疗基因，结果表明，该组装系统不仅能够特异性地靶向A549细胞，还能够强烈抑制靶A549细胞的增殖和迁移[18]。

1.4 生物相容性和可降解性

生物相容性是生物材料应用于生物体最关键的因素。对于纯DNA水凝胶来说，其唯一组分是从天然生物中提取的DNA基因组，其降解产物核苷酸是人类所需的天然化合物，因此，纯DNA水凝胶在体内应用对宿主无毒无害，且不引发任何刺激性炎症反应。基于DNA本身良好的生物相容性和可降解性，DNA水凝胶可用于组织工程中细胞的增殖和迁移或为血管浸润提供空间；同时，DNA水凝胶具有良好的降解速率，从而可控制药物随时间缓慢释放[31]。通常，水凝胶机械性质与降解速率之间的平衡是保证DNA水凝胶在有效时间跨度内发挥功能的重要因素，在这一方面，纯DNA水凝胶要优于杂化DNA水凝胶。Um等[13]在生理条件下使用分叉状DNA单体经酶促连接构建的DNA水凝胶，可用于原位包封蛋白质在内的药物，甚至可将活哺乳动物细胞包封在液相中，从而消除了载药步骤，也避免了变性的条件。同时,可以通过微调DNA单体的浓度和结构来调节DNA水凝胶的机械强度,以助力于药物控释。而Previtera和Langrana[32]开发了一种DNA与聚丙烯酰胺交联形成的杂化DNA水凝胶，与纯DNA水凝胶的柔软性能不同，聚丙烯酰胺作为静态底物，制备后在没有刺激的情况下会增加凝胶硬度，从而导致弹性降低，增大了调节降解速率的难度。此外，DNA-聚丙烯酰胺水凝胶在体内进行药物释放时可能存在有毒物质(如丙烯酰胺单体)残留的隐患。

1.5 稳定性

DNA水凝胶的稳定性不仅依赖于DNA稳定的双螺旋结构，还需要凝胶态的机械强度维持。dsDNA的稳定性来源于G和胞嘧啶(C)的数值含量以及互补碱基间的氢键。dsDNA易在高温下分解形成单链，导致水凝胶网络的解体，但是随着dsDNA的增长，破坏其所需的能量越大、解链温度越高。因此，可以通过功能核酸形成特殊的、空间结构稳定的DNA水凝胶，也可以通过核酸扩增的方法获得较长的ssDNA，降低DNA水凝胶解链的可能。此外，水凝胶材料通过疏水或亲水作用交联的网络结构具有一定的稳定性，因而能够包裹大量的水，但同样能在pH、温度、光照、磁和离子浓度等外部刺激下发生溶胶-凝胶的相变。如通过加入酶或调节pH可使G4与i-motif结构发生不同程度的DNA链折叠，说明诱导因素能够影响DNA水凝胶的稳定性[33]。但也可以利用反平行G4结构提供足够的交联力以形成致密的水凝胶，研究显示G4-DNA水凝胶表现出良好的热稳定性，可在室温下保护氯高铁血红素(hemin)不被降解[17]。Lu等[33]设计了一种pH调控的双向功能核酸DNA水凝胶，即能够在pH调控下可逆自组装，并在水凝胶中引入荧光基团和淬灭基团以监测自组装过程。在Lu等[33]的研究中，引入了2个质子化胞嘧啶-鸟嘌呤-胞嘧啶(C-G·C+)和胸腺嘧啶-腺嘌呤-胸腺嘧啶(T-A·T)的三核酸，其中，质子化的C-G·C+三核酸结构在pH 5.0时形成水凝胶，在pH 7.0时分解；而基于T-A·T的三核酸结构在pH 7.0时形成水凝胶，在pH 10.0时分解，从而实现凝胶与液态的可逆转换。刺激响应型DNA水凝胶利用外界因素实现了水凝胶形成和解离间的平衡，表明可以通过精确控制辅助增强DNA水凝胶的稳定性。

2 DNA水凝胶的应用

2.1 药物递送和靶向治疗

DNA分子高度交联形成的水凝胶作为重要的生物医用材料备受关注。在药物递送时负载的药物可以通过化学附着或物理包裹结合到功能核酸水凝胶网络中，随后通过对凝胶网络施加刺激因素使其经历特定的物理、化学或生物变化，从而使负载的药物被释放。

2006年，Um等[13]通过T4 DNA连接酶将X-、Y-、T-DNA彼此杂交连接形成构建单元，再经自组装制备成三维网状DNA水凝胶。通过调节DNA单体的初始浓度和结构可实现水凝胶的不同溶胀特性，结果显示单体的初始浓度越高，其水凝胶的溶胀程度越高。X-DNA水凝胶的溶胀程度高于Y-DNA和T-DNA水凝胶。同时X-DNA水凝胶仅在生理条件下就能形成，便于包封小分子药物、无机纳米粒子并成功加载于活哺乳动物细胞中。通过在DNA水凝胶中封装猪胰岛素(porcine insulin)和喜树碱(camptothecin，CPT)，验证了降解过程由DNA水凝胶内部的结构(如X-DNA比T-DNA和Y-DNA抵抗降解能力更强)、负载药物的性质(如与DNA分子亲和力高的药物能保护DNA水凝胶在体内不被降解)以及环境(如核酸酶存在时更易降解)等因素决定[13]。基于功能核酸DNA水凝胶的生物相容性、生物可降解性、制造成本低、易于成型等特点实现了其在药物包埋与递送中的应用。

为了在上述研究的基础上改进药物包封的速度，实现快速包封和药物释放，可以借助i-motif结构对酸度敏感的特征进行快速折叠与解折叠。如Cheng等[34]通过Y-DNA交联获得了pH快速响应型DNA水凝胶，同时，使用13 nm的AuNR作为“示踪剂”。在微酸性环境下，富C序列由于氢键作用形成i-motif四联体结构,并快速连接Y-DNA交联成胶，使得AuNR被捕获在DNA水凝胶内；而在微碱性环境下，由于静电斥力隔离Y-DNA单体使得AuNR在1 min内迅速释放并分散到整个溶液中。然而，该方法虽然能实现快速响应，但在生理条件下不稳定，因而限制了其在体内的应用。

为了解决不稳定因素，2017年，Zhang等[35]将具有光稳定性、高量子产率和光谱可调性的量子点(quantum dots，QDs)作为“荧光标记”掺入DNA水凝胶中，在生理条件下快速形成量子点DNA水凝胶，实现酶应答药物递送和特异性细胞靶向。该水凝胶在体外pH 5.0～9.0环境内能够保持稳定。一旦进入哺乳动物细胞后接触核酸酶，由DNA组成的网状结构会被降解。此时，水凝胶转化为溶胶状态并开始释放包埋药物。鉴于此，研究人员将QDs-DNA水凝胶用来递送药物多柔比星(doxorubicin，DXR)到癌细胞，相对于无QDs，DXR对抗癌细胞的功效提高了9倍。同时，在QDs上引入了适配体靶向特定CCL-119白血病细胞，并通过小分子干扰RNA(small interfering RNA,siRNA)的传递来调节蛋白表达水平，随后还在患有异种移植乳腺癌的动物实验中证明了水凝胶的可追踪性和体内治疗功效。

此外，依靠设计特殊序列也能使药物达到良好的靶向效应。2017年，Wang等[6]构建了装载有DXR且具有特定胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤(cytosine-phosphate-guanine，CpG)序列的X-DNA水凝胶。CpG序列赋予了DNA水凝胶免疫活性，在血清中核酸酶缓慢降解DNA水凝胶时，DXR和CpG免疫刺激信号也被缓慢释放。同时，在患有结肠癌的小鼠体内进行实验验证，结果反映出良好的肿瘤抑制现象，也证明了DXR能有效杀伤肿瘤细胞，同时增强CpG-DNA水凝胶的免疫活性。

2.2 生物传感

应用于生物传感的DNA水凝胶是监测生物医学和生物化学变化的一种具有便携性、高灵敏度和高选择性等优势的新型纳米材料。功能核酸DNA水凝胶可响应特定环境因素的刺激，从而特异性识别靶物质并将自身转变为信号进行检测。将DNA水凝胶引入生物传感，不仅能将传统的液相反应体系转入3D网状结构中，从而提高分析物的负载能力，还可以将分析物转换为易于处理的传感信号以便检测[6,36]。通常检测物质包括离子、活细胞、蛋白质、病毒或细菌等[26]。

基于功能核酸DNA水凝胶的生物传感器通过对体内靶标的高度亲和力来检测生物分子。Zhang等[10]使用AuNR和QDs作为指示剂包封在水凝胶中，设计了Y-DNA和适配体接头，二者粘性末端彼此互补，可相互交联形成功能核酸DNA水凝胶。在没有靶物质的情况下，可观察到上层溶液无色而下层含AuNR的凝胶呈红色。加入凝血酶后，它将与接头适配体竞争性结合，导致DNA水凝胶的崩解，这时AuNR从凝胶中释放到上层溶液用于可视化检测凝血酶，靶标在0.075～12.500 μmol/L范围内呈良好的线性关系，检出限为67 nmol/L。此方法在复杂血清中具有良好的可行性，并为蛋白质的检测提供了基本概念。

除了可对体内活性物质进行快速检测，基于DNA水凝胶高含水量的优点，其还能在体外溶液中建立生物分析的表面传感器。Mao等[11]在液-固界面上设计制造了稳定的DNA水凝胶3D支架，然后将其固定在固体透明氧化铟锡(indium-tin oxide，ITO)电极表面。在3D水凝胶材料的表面张力和重力作用下，通过长DNA链交联包裹辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)而非传统的化学键或生物亲和力固定，保持了蛋白酶本身的独立性，有利于酶的回收，还提供了用于电化学或比色分析的3D催化系统。实验结果表明，包裹有HRP的水凝胶具有良好的稳定性和负载能力。由于分子筛效应，DNA水凝胶在传感过程中将酶与水凝胶外的大分子干扰物分离，阻止其向外部扩散，可用于血清中过氧化氢和胆红素的直接比色和电化学检测。通过比色分析血清中的过氧化氢，检出限为22 nmol/L，电化学测量的检出限为13 nmol/L；通过水凝胶中包裹胆红素氧化酶进行光谱分析，胆红素的检出限为32 nmol/L，可用于黄疸的极限诊断。当测定结束时，将ITO电极与表面固定的HRP@DNA水凝胶一起洗涤并在空气中干燥。将其再次放入缓冲溶液后功能可迅速恢复，由此实现基于功能核酸DNA水凝胶的生物传感系统的再循环[11]。

2.3 生物材料

长期以来，由于很难满足人工组织或器官结构的复杂性、精密度、细胞活力和可扩展的构建要求，制备三维组织结构一直是组织工程上的挑战[37]。Wang等[38]采取了一种新的“由砖到墙”策略，将靶细胞包封在由Y-DNA和接头组装的功能核酸DNA水凝胶中，首先通过人工操作或3D生物打印的方法产生微米精度的细胞砖，再将靶细胞接种于细胞砖中培养48 h以观察细胞的生物活性。为了防止最终靶细胞失去活性导致后续组织工程失败，在组装结构之前通过显微镜观察细胞状态并及时清除受损的细胞砖。随后基于碱基互补配对原则赋予水凝胶特殊的“自我修复”特性，将包封细胞的水凝胶砖放在一起，相邻的砖能在几秒钟内开始融合，边界在数分钟内消失，从而实现了3D组织结构的动态组装。基于DNA水凝胶出色的生物相容性和可调节的机械性能，其能提供与细胞外基质相当的渗透环境以保证3D组织结构中的细胞活力。Wang等[38]在实验中将“砖”堆叠在一起形成三维宏观结构后，通过Transwell细胞行为实验评估了由水凝胶中的信号触发的细胞行为，验证了这种“由砖到墙”的策略可以轻松避免制造过程中构建单元的损坏，并且能够与自动制造过程兼容，适用于构建复杂的多细胞结构，还可用于大规模生产人造组织。

2.4 其他领域

功能核酸DNA水凝胶除了在药物递送和靶向治疗、生物传感以及生物材料的构建等方面应用较多，在其他方面也具有应用价值，如蛋白质的生产、水处理和环境分析等多元化应用，为DNA水凝胶的发展开辟了新的方向[6,38]。

DNA可作为模板储存遗传信息，通过转录合成信使RNA(messenger RNA，mRNA)，而以mRNA为模板可以翻译成蛋白质。根据分子生物学中心法则，使X-DNA与线性质粒依靠T4 DNA连接酶的作用共价交联形成无细胞产蛋白质DNA水凝胶(cell-free protein-producing hydrogel)，简称P-凝胶[13]。P-凝胶能响应葡萄糖、酶、抗原、核酸、三磷酸腺苷等多种物质的刺激[39]。在裂解物或聚合酶的刺激下，P-凝胶可立即接受刺激开始转录，最终能产生16种蛋白质。实验证明，P-凝胶表达的蛋白质产率高达5 mg/mL，高出传统的液相体系约300倍[40-41]。目前，P-凝胶已成功应用于大肠杆菌、小麦胚芽和由兔网织红细胞制得的裂解液等几种不同无细胞系统[39-42]。

DNA水凝胶在微观上为亲水聚合物网络，具有多孔微结构和大表面积，从而具有强大的富集能力以捕获或维持目标稳定性，因此可定位为净化微污染水层的多功能平台和特异性识别痕量污染物的有效材料。微污染水层指含有少量污染物的各种水源，如轻污染饮用水、雨、雪和地下水。与常用的碳基材料、粘土矿物和金属材料等废水处理材料相比，纯DNA水凝胶的高安全性更适合于微污染水层的处理。Wang等[43]利用了纯DNA水凝胶的酶响应性，将Y-DNA和含有限制性酶切位点的接头通过碱基互补配对在3 min内形成水凝胶。与疏水性高分子有机硅聚二甲基硅氧烷膜相比，DNA水凝胶具有很强的渗透性和细胞安全性，同时，在对生物分子的包封和固定上，水凝胶微孔中单细胞的包封和释放可以在很大程度上解决污水处理中污泥堵塞、污水再生等问题。目前，DNA水凝胶在水处理上已被用作吸附剂、催化剂、封装载体和传感器，实现了直接或间接处理、分析低浓度污染物，尤其是重金属和持久性有机污染物[44-46]。

3 展望

目前，DNA的研究与应用已经不再局限于其在遗传学中的作用。功能核酸DNA水凝胶作为一种新型的纳米功能材料已在生物医学领域有所建树，目前多用于电化学生物传感器、比色生物传感器等少数几种生物传感器的开发中，而在分子检测中与多种生物传感器的搭建、生物成像技术的研发以及组织工程中仿生材料的构建等方面尚未得到广泛的发展与应用。因此，如何利用其凝胶态的优势拓展功能核酸水凝胶的应用范围，实现甚至超越在液相或固相体系中的研究成果，将是功能核酸水凝胶在未来亟待突破的难点之一。

如今，仅以核酸作为原料形成的水凝胶功能性质单一、机械性能较低，已无法满足日渐拓宽的应用需求，因此已开展复合型功能核酸水凝胶的研发，这将是功能核酸水凝胶发展的重要方向之一。复合型功能核酸水凝胶的开发主要从2个方面实现。一方面，在制备时引入其他聚合物作为骨架，不仅能降低核酸的使用量，缓解核酸原料的合成成本，而且还赋予了水凝胶聚合物的性质，从而极大地增强了水凝胶的机械性能与交联度，提高了成胶速率，甚至为其增添了多重可控性。除目前使用最多的聚丙烯酰胺外，聚乙烯亚胺、聚乙二醇以及具有热敏性质的聚异丙基丙烯酰胺等高分子聚合物都已被开发用于复合型核酸水凝胶的制备。以后可更多地拓展天然聚合物及无毒无害的合成聚合物的使用，如壳聚糖、多聚赖氨酸以及羧甲基纤维素等，降低复合型水凝胶材料的毒性，便于开发水凝胶在细胞及体内中的应用。另一方面，新型材料的引入对开发复合型功能核酸水凝胶具有前瞻性意义，不但有助于提高功能核酸DNA水凝胶的理化性质，而且显著拓展其功能性。如金纳米颗粒能够赋予水凝胶额外的热稳定性；氧化石墨烯的掺入使水凝胶具有高机械强度、高吸附能力和抵抗体内复杂环境的能力；掺入磁纳米颗粒、量子点等纳米材料为水凝胶提供更多刺激响应因素，有助于开发多响应、多功能的核酸水凝胶材料[10,47～50]。

最后，功能核酸水凝胶的大小及形貌与其在药物装载及递送等相关应用中有着密切的联系。在将包封药物的核酸水凝胶靶向进入细胞前，通常细胞的直径介于20～100 μm之间，应确保其尺寸能够进入细胞内。另外，水凝胶微观形貌也对其中药物的装载率、包封效果及释放速率具有显著影响。然而，如基于滚环扩增反应产物的水凝胶具有的DNA纳米花结构[17]，其花瓣致密度、球形纳米花的疏密程度等均尚未实现精确调控。因此，功能核酸的结构及功能性质应为水凝胶在宏观与微观结构中的尺寸及形貌提供更多的刺激响应因素及可调控机制，从而有利于提高功能核酸水凝胶作为药物或生物活性分子的载体在细胞及体内实验中的成功率。