功能核酸DNA水凝胶的制备与组装

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既能作为遗传物质编码、储存和传递遗传信息，又能在纳米尺度上作为精确调控物质的独特模板，利用可高度编程的自组装特性来构建纳米结构和纳米材料[1-3]。DNA纳米结构的成功合成可以追溯到1982年，Seeman首次构建了除DNA反向双螺旋结构以外的十字架构型，后期又与具有碱基互补性的粘性末端的支链DNA分子进行编程，运用“自下而上”的分子自组装法在纳米尺度上创建了特殊的DNA二维晶体[4-5]，为后人利用Watson-Crick碱基配对原理的可编程性和精确性继续探索DNA自组装纳米技术领域提供了指导[6-10]。随着DNA分子合成技术日趋成熟以及生物材料的不断更新，Watson-Crick碱基互补配对原则开始逐渐融入高分子自组装领域，并与其他荧光基团、纳米颗粒以及功能核酸结构结合，这赋予了DNA纳米材料更为复杂的结构和功能，从而使DNA突破了分子生物学的学科边界而兼存于新型纳米材料的研究中，并在物理、化学、生物医学和计算机科学等领域有了一席之地。目前，DNA自组装主要通过DNA瓦片组装、DNA折纸砖和阵列这3种途径实现[11]。DNA作为组装材料具有高度的自组装能力、精确的分子识别能力、便利的可编程性、充足的生物相容性和可降解性等特性。同时，DNA分子的双螺旋结构在生理条件下通过碱基之间堆叠的氢键、离子键等维持稳定构象，这些相互作用强度较低的键同时赋予了DNA分子柔性，从而使其能响应温度、pH、离子等物理刺激[12]。此外，序列定向杂交的能力也增加了DNA纳米结构的分子靶向属性，使DNA成为构建水凝胶的优良组装原件。

DNA水凝胶是由高度交联的DNA分子组成，兼具了DNA分子的优越特性以及水凝胶的高负载能力与机械强度。根据DNA水凝胶的结构组成，可分为纯DNA水凝胶(pure DNA hydrogel)和杂化DNA水凝胶(hybrid DNA hydrogel)。本文所综述的纯DNA水凝胶是指DNA(尤其是功能核酸)作为水凝胶的唯一组分、骨架或交联剂，无其他聚合物参与，通过化学作用或物理作用交联形成的水凝胶[12]。其中，化学交联可利用DNA分子化学键交联形成三维网状结构，也可利用连接酶将DNA构建单元通过磷酯键共价连接；物理交联是指通过以氢键为主的DNA分子碱基互补配对作用或分子链间的物理缠结作用等非共价键制备DNA水凝胶。由于化学和物理作用中均存在多重刺激反应，结合目前已成熟或新兴的核酸扩增途径，使得DNA水凝胶在自主设计碱基分布后拥有多向选择交叉来完成制备。如带有回文结构粘性末端的Y型DNA单体(Y-DNA)，可依据碱基互补配对连接形成构建单元，再引入连接酶催化实现交联-介导反应；或者仅利用碱基互补原则在温度可逆变化下交联成胶[9,13]。

为了更好地发挥引入功能核酸后DNA水凝胶的实际效果，每一种提取方式的选择、扩增手段的优化和相应的反应设计都是一种挑战。因此，本文详细介绍了具有多功能性质的功能核酸结构，包括具有高度选择性的核酸适配体、DNA核酶(DNAzymes)、G-四联体(G-quadruplex，G4)和i-motif结构等；并重点综述了功能核酸DNA水凝胶制备途径中多种DNA获取方式和扩增手段。在此基础上，总结了通过物理、化学交联形成水凝胶的原理和过程，并提出了功能核酸DNA水凝胶组装方法的发展方向，以期为开发高效组装的功能核酸DNA水凝胶提供参考。

1 常用的功能核酸

功能核酸是指大量含有发夹环、四重环和凸起等结构的核苷酸，在氢键、范德华力、疏水作用和碱基对等作用下形成的能进行特异性识别或具有催化功能活性的生物大分子[14]，其中包括具有独特二级和三级结构的单链核酸适配体、模拟天然酶功能的DNAzymes、富含G或C碱基的DNA链自组装成的分子内或分子间G4和i-motif结构等[15-18]。这些功能核酸能够在特定条件下发生构象或性质的改变，从而为DNA水凝胶的组装及其结构或功能带来变化，其中研究与应用于功能核酸DNA水凝胶较多的是核酸适配体和DNAzymes。同时，功能核酸普遍具有高稳定性、低成本、易合成与编辑等优点，所以将功能核酸序列引入DNA水凝胶能拓宽DNA水凝胶在生物传感、环境分析、药物控制释放、细胞粘附和靶向癌症治疗等方面的应用。

1.1 核酸适配体

核酸适配体是在体外从随机DNA或RNA文库中筛选出的单链寡核苷酸分子，随后通过指数富集的配体系统(systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX)进行配体[15]。由于适配体能够折叠成二级结构或三级结构，因而具有高度的靶向结合能力和更大的靶向范围[19]。通常，适配体的解离常数较低，范围从纳摩尔(nmol)到皮摩尔(pmol)，即使在底物浓度极低的情况下，或底物发生解离/结合的结构变化后，适配体仍然能够特异性地识别底物，从而刺激DNA水凝胶系统发生特定的物理或化学变化[20]。此外，适配体具有目标识别重复性高、易于标记和化学修饰等优势，同时其具有极强的稳定性，能够实现经过热变性和复性间的多次循环而不丧失结合能力。因此，引入适配体的DNA水凝胶是生物传感器的理想识别元件。此外，适配体的分子量较低，在体内易被血液排出，故多选择搭载在DNA水凝胶的骨架上或包裹在DNA水凝胶内部进入体内以辅助快速识别靶分子。

目前，核酸适配体已被广泛应用于靶向生物成像、分子检测和医学诊断[1,21]。在适配体掺入后，基于适配体合成的DNA水凝胶可以强烈抑制靶人肺腺癌细胞系A549的增殖，但无法控制细胞的迁移，这表明适配体具有靶向基因治疗的潜力[22]。此外，Zhou等[23]利用赭曲霉毒素A(ochratoxin A，OTA)适配体作为DNA接头与2种Y-DNA单体交联杂交形成靶依赖性可切换的功能核酸DNA水凝胶，该水凝胶中形成的刚性空间可以包裹信号分子辣根过氧化物酶(horseradis peroxidase，HRP)，当OTA靶标存在时，HRP被释放，通过水凝胶体系从无色变为绿色的视觉切换以实现可视化双信号放大检测，从而用于灵敏的比色分析。

1.2 DNAzymes

DNAzymes是通过体外筛选的方式获得的另一类功能性核酸，其具有特异性结合切割能力和高催化活性，主体由底物链和酶链构成，可在人工合成时设计出多功能化的DNAzymes底物，用于构建多重依赖性的DNAzymes[16]。DNAzymes作为一种生物催化剂，可通过寡核苷酸或小分子进行有效的变构控制，提高其催化效率[24]。当存在辅助催化因子(通常为金属离子或氨基酸)时，DNAzymes酶链可快速裂解并按照底物链上的特定位点进行切割，其中DNAzymes的浓度和结合在底物表面的序列量将影响切割效率[24-25]。由于DNAzymes能催化一系列磷酸二酯键水解和过氧化物降解等反应，因此，可将其整合至DNA水凝胶等纳米材料中，以赋予DNA水凝胶催化效应和分子识别功能。Xiang等[26]通过将模拟过氧化物酶的DNAzyme整合到DNA基序中构建功能性DNAzyme水凝胶。首先通过两两依次部分互补配对的4条单链形成X-DNA单体，随后利用末端脱氧核苷酸转移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase，TdT)延长其中4个暴露有3′-OH末端的臂，从而形成具有poly-A和poly-T的X-DNA单体以作为构建单元，再通过poly-T和poly-A之间的杂交形成水凝胶。随后通过将葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOx)和β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)共同包封到DNAzyme水凝胶中构建杂合级联酶促反应系统，这种高效的级联反应提供了可视化检测葡萄糖/乳糖的潜在方法。

1.3 G4

1.4 i-motif结构

i-motif结构是在酸性条件下由C·CH+对维持的2个平行双链反向平行地互相插入形成的一段富含胞嘧啶(C)的四联体结构[18]。i-motif结构的稳定性取决于胞嘧啶区的长度、序列长度、温度、盐浓度和环境pH等因素，通常在pH 3～7的范围内保持稳定[29-30]。基于i-motif结构的pH依赖性，可将其用于构建pH响应型功能核酸DNA水凝胶，并凭借pH的调节实现快速响应。如Sharma等[31]在碱性条件下利用3条等量的两两互补序列组装成Y-DNA结构，该结构利用DNA双链中心结构域和3条半i-motif序列作为互锁结构域。当调节pH为5时，Y-DNA通过i-motif结构变化完成分子间连接，从而形成三维网状功能核酸DNA水凝胶。不同pH条件下i-motif结构的转变使得DNA水凝胶能快速切换形态，从而实现在生理环境下pH响应型纯DNA水凝胶的生物传感应用。

2 核酸的获取方式和扩增手段

DNA水凝胶构建的基础方式是先依据碱基互补配对原则形成组装DNA水凝胶的交联单元，再通过单元中留有的粘性末端相互杂交形成水凝胶网络的3D结构。然而，这种利用寡核苷酸级联自组装的方法存在着一定的局限性，如在高浓度DNA的自组装过程中无法避免积累误差，而需要消耗大量DNA形成水凝胶的高成本问题也阻碍了这一方法的实际应用[13]。因此，目前主要通过天然核酸提取及化学合成这2种方式获得形成DNA水凝胶的基础原料，并与核酸扩增手段相结合，包括变温扩增手段(如PCR)、等温扩增手段(如滚环扩增、环介导等温扩增)以及非酶依赖的恒温链式杂交反应(hybridization chain reaction，HCR)和DNA超级三明治(super sandwich)结构等[32-35]。

2.1 基因组、质粒的提取以及核酸的人工合成

功能核酸DNA水凝胶中的DNA可以从自然界生物体的活性组织中提取。传统方法中基因组DNA的提取可通过酶溶或机械力裂解破坏细胞壁、细胞膜等，随后对游离出来的DNA等物质进行纯化除杂，最终得到的基因组DNA既要保证其双螺旋结构的完整，也要排除蛋白质等有机物和离子的干扰[32]。通过测定OD260与OD280的比值可验证所提基因组的纯度，应在1.7～1.9之间；同时还可以通过琼脂糖凝胶电泳验证基因组的长度、产量和纯度，电泳结果应显示为1条清晰明亮的条带。质粒(plasmid DNA，pDNA)也是基因传递载体之一，由超螺旋和开环异构体组成。超螺旋pDNA可以更有效地传递遗传信息，提取高质量的超螺旋pDNA(回收未受损的pDNA大小>5 kb)可以通过特殊色谱分离，如尺寸排阻色谱[36]。从琼脂糖凝胶中纯化基因组和质粒的传统方法包括有机萃取和电洗脱[37]。

随着分子生物学技术的高速发展以及市场要求的不断提升，利用试剂盒提取基因组和质粒已成为一种便捷、高效的方法。目前市售的试剂盒可根据DNA的生物体来源和样本数量选择需要的规格，并通过简洁的步骤完成裂解、纯化除杂和洗脱等工作。相比于传统方法，利用试剂盒进行提取能保证基因组或质粒的纯度和高产率，但得到的DNA片段较短、浓度略低，最终大多需要通过核酸扩增手段进行弥补。

另一方面，通过人工合成能够获得可控量和可控尺寸的单链DNA(single-stranded DNA，ssDNA)，其主要依据为最基本的碱基互补配对原则，使用DNA合成仪设计编码进行反向转录或化学合成，最终在体外筛选得到短链DNA分子。目前多将所需的序列、长度和浓度等要求交予生物技术公司完成，可快速得到复杂、高质量的功能核酸。

2.2 核酸扩增手段

通过试剂盒或人工合成的方式获得用于构建基于功能核酸的纯DNA水凝胶的核酸时，核酸原料受到成本、纯度、核酸链长度等诸多限制，单纯通过这2种方式不足以支撑纯DNA水凝胶的构建，因此，可根据核酸序列设计选择不同的体外扩增方法，以辅助高效获得高浓度的长DNA链作为搭建DNA水凝胶骨架的方法。

PCR是指在耐热DNA聚合酶作用下延伸寡核苷酸引物并沿着模板链进行遗传信息的复制，经过20～30次“高温变性-低温退火-适温延伸”过程的循环使靶标序列扩增百万倍[32]。PCR特异性扩增产物可以通过琼脂糖凝胶电泳表征。PCR具有高度的特异性、灵敏度，以及对模板纯度要求低等优势。但是PCR结果可能会出现假阴性、假阳性或者不出现扩增条带等现象，同时PCR依赖于热循环仪等造价高、体积大的变温仪器，使得其在现场检测中的应用受到限制[33]。

滚环扩增(rolling circle amplification，RCA)是借鉴微生物环状DNA分子的滚环复制方式而建立的一种体外等温扩增技术，以1条大小范围为26～74个核苷酸的单链环状DNA模板和高度持续的DNA或RNA聚合酶完成短链DNA或RNA的扩增。RCA产物为重复的单链DNA或RNA，长度可高达9 000个核苷酸，可用于核酸序列扩增，也可用于信号放大。根据RCA的引物结构可分为单引物RCA和双引物RCA，单引物RCA最高可扩增到105倍，而双引物RCA最高可扩增到109倍。尽管RCA的设备要求和反应机制简单，但是也存在着对双链DNA样品变性处理和环化处理复杂以及操作时间长等缺点[33]。在DNA水凝胶的构建中，Lee等[38]通过酶催化的RCA和多引物链扩增(multi-primed chain amplification，MCA)2种方式组装形成功能核酸DNA水凝胶。MCA是一种在RCA过程后通过添加多条引物发生的连续扩增反应。首先进行RCA反应获得长ssDNA，并以此作为MCA的模板，通过调整RCA和MCA的扩增时间使得最终产物均为长ssDNA和双链DNA(double-strand DNA，dsDNA)，从而以非共价键物理编织成具有鸟巢结构的DNA水凝胶(图1)。

环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification，LAMP)作为一种高灵敏度的等温核酸扩增技术，能够在等温条件下直接扩增特定的DNA序列[39]。通过在内部和外部设计4条引物以特异性识别靶序列上的6个区域，在链置换活性DNA聚合酶作用下恒温扩增DNA。相比于RCA，LAMP操作简单，不需要变性的DNA模板结合逆转录，同时产物中会生成大量白色焦磷酸镁沉淀，因此可快速、高效地通过肉眼或浊度仪判断扩增产物，便于即时检测。然而，LAMP的高灵敏度也使结果易产生假阳性。此外，链置换、链取代反应的限制使得产物dsDNA片段长度一般在200～300 bp。

图1 DNA水凝胶的扫描电子显微镜图[38]Fig.1 Scanning electron microscopy images of DNA hydrogel[38]

HCR和DNA超级三明治结构的最大优势都是无酶参与。HCR是通过ssDNA作为引发剂触发2条带有粘性末端的发夹分子，依次不断暴露新的单链区域直至发夹全部打开，最终得到多个重复单元的DNA聚合物。DNA超级三明治结构则是在靶标DNA存在时使用含有粘性末端的信号探针与靶标结合，残余粘性末端继续与下一个靶标杂交形成超级结构[35]。这2种无酶扩增方式都可以触发DNA自组装，当靶标存在时会释放引发剂诱导发生HCR反应或形成多标记的DNA超级三明治结构，由此导致带切口的双螺旋用来交联不同的功能核酸序列。在组装功能化DNA水凝胶时，功能核酸序列可以插入DNA超级三明治结构信号探针的任何位置和HCR的2个发夹结构中，从而实现荧光信号、电化学信号等的可视化输出。如在形成富含腺嘌呤链(poly-A链)和富含胸腺嘧啶链(poly-T链)的X-DNA基序后，使每条poly-A链和多条poly-T链在50 ℃至4 ℃的连续退火过程中发生X-DNA单体间的HCR后便能形成DNA水凝胶的三维网络[26]。Song等[40]报道了一种通过适配体触发发夹结构HCR反应，用于制备识别并直接捕获活性循环肿瘤细胞的DNA水凝胶。在正常情况下，发夹分子H1和H2的二级结构自由能为负值，从而阻止凝胶系统的自发杂交。当DNA引发剂存在时，H1被打开导致杂交反应的自由能明显降低，使得发夹间的自由能总和能够驱动H1和H2交替发生HCR反应，导致dsDNA的形成。其中，设计H1为二聚体以桥接dsDNA，设计H2形成柔性单链区域以在HCR产物中促进3D DNA网络的形成。HCR的组装策略在生物传感分析中显示出一定的放大效率，实现了目标DNA的皮摩尔(pmol)水平检测[41]。

3 DNA水凝胶的交联方式

3.1 物理交联方式

物理交联的功能核酸DNA水凝胶是DNA链通过氢键、静电作用和分子间作用力等非共价键高度交联形成的三维网络。由于DNA水凝胶的机械性能易受环境影响，如i-motif结构的pH依赖性、PCR扩增DNA链的温度依赖性等，整个成胶过程会依赖外部物理刺激促进相变从而显示出可切换的宏观变化。

DNA水凝胶接入具有pH依赖性的功能核酸结构时能够触发水凝胶对pH的快速响应，如Cheng等[42]利用i-motif结构特性制备了随环境pH变化可迅速成胶的功能核酸DNA水凝胶(图2)。在碱性环境下，由i-motif参与形成的互锁区呈无规则卷曲状态，而Y-DNA单体由于静电排斥被隔离而处于液态；当pH降低为微酸性环境时，胞嘧啶部分质子化，与未质子化的胞嘧啶之间形成C···CH+三重氢键。因此，呈现出在pH 5.0条件下形成水凝胶，而在pH 8.0条件下水凝胶转变为液态的可逆相变过程，可以帮助DNA水凝胶简单地利用环境pH变化以控制包埋物的捕获和释放。除引入pH响应型的功能核酸外，根据pH变化进行物理缠结的水凝胶多数是利用质子化的核酸链上酸碱性基团电荷性质的变化，当pH达到等电点(即pH 5.0左右)时，电荷数量接近0，链上弱键间的作用稳定，易达到平衡，从而能发生组装成胶[43]。

注：Y-DNA单体的3条DNA链的序列(不同的区域用不同的颜色表示)是：a—5′-CCCCTAACCCCTGGATCCGCATGACATTCGCCGTAAG-3′；b—5′-CCCCTAACCCCCTTACGGCGAATGACCGAA-TCAGCCT-3′；c—5′-CCCCTAACCCCAGGCTGATTCGGTTCATGC-GGATCCA-3′。图2 pH响应型DNA水凝胶形成示意图[42]Fig.2 Schematic illustration of the formation of the pH-responsive DNA hydrogel[42]

温度依赖型功能核酸DNA水凝胶是在碱基间由最简单的氢键经物理交联而成，故当温度上升到80～90 ℃时，DNA双螺旋间的氢键会因为变性而断裂成2个无规卷曲的ssDNA，随着温度缓慢冷却又会恢复，因此在成胶过程中温度应在熔点以下。如Xing等[9]设计的以带有粘性末端的Y-DNA与接头为构建单元彼此互补形成的功能核酸DNA水凝胶具有温度依赖性。经实验测量，二者的熔解温度(Tm)均保持在63 ℃以下，当温度设置在25～50 ℃之间可循环多次凝胶至溶胶的过程，表明功能核酸DNA水凝胶能以可逆的方式对热量作出响应。

磁响应型DNA水凝胶在磁场的变化下可以被远程控制折叠成各种形状或者发生移动。在2017年，Ma等[44]首次将ssDNA片段修饰的磁性纳米粒子(magnetic nanoparticles，MNPs)分散在DNA水凝胶中诱导磁响应的发生(图3)。在外部磁场的作用下，DNA水凝胶的形状从球形变为椭圆形，并且可以被拖动或跳跃。此外，磁响应型DNA水凝胶还可响应温度(40 ℃)和酶(内切核酸酶)的多重刺激以实现在凝胶与溶胶状态之间的转换。考虑到电子器件和药物靶向运送时，设计包埋磁性颗粒可引起DNA水凝胶在磁场变化下的体积相变，最常用的是超顺磁性的Fe3O4颗粒[45]。

A：经ssDNA修饰的磁性纳米颗粒；B：Y-DNA单体、与ssDNA互补的接头和DNA-磁性纳米颗粒形成的三组分水凝胶。图3 DNA-磁性纳米颗粒水凝胶形成示意图[44]Fig.3 Schematic illustration of the formation of DNA-MNP hydrogel[44]

3.2 化学交联方式

化学交联的功能核酸DNA水凝胶不仅可以通过共价键连接DNA构建单元来获得更高的机械强度和环境稳定性，还可以通过有效的酶促反应实现DNA的交联。如限制性内切酶、内切核酸酶均可以辅助切割DNA分子的特定位点，从而做到对特定序列的精确水解；HRP凭借自身的直接电化学和生物电催化能力，可迅速与H2O2结合发生氧化反应以开发高效过氧化物生物传感器；磷酸酶、激酶的可逆地去磷酸化和磷酸化作用是发挥DNA水凝胶准确可逆性的选择之一[46-48]。将功能性不同的酶掺入水凝胶中能够影响DNA水凝胶的溶胶-凝胶状态，这样动态的自组装过程极大地扩展了功能核酸DNA水凝胶的响应范围[44,49]。化学成胶过程中可以通过调节碱基序列将约22 kDa的蛋白质或小分子等其他生物制剂包封在DNA水凝胶中，随后经环境刺激发生酶促降解达到可控释放[50]。Xiang等[26]在X-DNA、Y-DNA、T-DNA这3个构建单元中通过酶介导交联合成了生物响应型功能核酸DNA水凝胶，使得包封的药物喜树碱(camptothecin，CPT)和猪胰岛素(porcine insulin)在生理条件下稳定地可控释放。影响整个过程稳定性的因素包括离子浓度、构建单元的抗水解性能、药物尺寸大小和结合能力、解链温度等。

根据酶的专一性制备功能核酸DNA水凝胶时，既能利用连接酶交联已设计序列的DNA分子，又能在化学交联前通过聚合酶延长DNA分子。Lee等[38]在2012年的研究中选用了一种能使DNA链延伸和置换的细菌噬菌体聚合酶，在成胶前延长DNA链，结合RCA和MCA得到的DNA水凝胶在水中具有固体性质，出水后具有类似液体性质，通过不断调节含水或无水环境实现DNA水凝胶形态的变化。基于这类水凝胶在水中的稳定可逆性质，可被用于制造以水为开关的电路。

酶在温和的条件下运作，在热力学和动力学控制下都能诱导自组装，这有助于通过特异位点调整反应和反应速率,建立更多无缺陷或临时结构，并且经酶包封的DNA水凝胶在各种变性剂存在的条件下表现出更好的稳定性和自主控制行为。目前，借助酶可精确催化活性位点从而精准控制凝胶状态(ON/OFF)切换的原理来发展新应用，如软机器人的自主形状记忆行为[51-52]。

4 展望

DNA水凝胶的发展主要集中于近十年，而针对功能核酸DNA水凝胶的研究更是处于初级阶段，尤其是在提高功能核酸DNA水凝胶的制备效率和降低成本2个方面仍然具有较大的发展空间。此外，在DNA瓦片和DNA折纸的组装技术上开发其他DNA纳米材料可以与水凝胶材料进行互补。

传统功能核酸DNA水凝胶的制备一方面对核酸的浓度以及DNA链的长度要求较高，并且核酸片段多依赖于人工合成，导致成本升高。目前已有研究将PCR、RCA和HCR等核酸扩增方法引入DNA水凝胶的制备中，扩增方法的引入不仅极大降低了水凝胶的制备成本，提高了水凝胶元件之间的组装效率，同时实现了靶标物质的引入和检测信号的放大，以及更为直观地判断水凝胶的形成。然而，随着DNA水凝胶多领域应用需求的增多，引入更多恒温扩增方法、降低扩增过程对变温仪器的依赖性、进一步提高扩增反应的效率、重复率与稳定性已成为影响DNA水凝胶制备方法改进的关键因素。

除了积极研究利用简便、高效的物理相互作用、化学修饰以及生物偶联方式进行自组装，还可大量开发杂化DNA水凝胶，比如以DNA作为链的分支而非主体，在水凝胶骨架上引入其他聚合物(如聚丙烯酰胺、多糖类和纤维素等)，或者加入其他纳米材料(如磁纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管、量子点、碳点、纳米孔、二氧化硅微球等)。这样在提高DNA水凝胶骨架机械性能、扩展功能核酸以外的响应功能的同时，也极大地缓解了仅以DNA交联合成水凝胶带来的高成本问题，有助于功能核酸DNA水凝胶的大量制备，并将极大的推动其在生物医学、环境工程、地理探测中的应用，因此，杂化DNA水凝胶将是未来发展中值得重点关注的内容。

在功能核酸DNA水凝胶基础上构建具有生物学功能、高机械强度的纳米材料是扩展DNA自组装技术和实际应用的有效策略，如在DNA水凝胶结构中配置具有规则边缘、优异的酶耐受性和精确的溯源性、手性的DNA四面体刚性纳米材料以弥补细胞成像和检测应用中所需的高效的跨膜能力和机械强度。随着组装技术进一步的发展和改进，DNA纳米材料作为新型功能元件构建多重功能化的DNA纳米机器和纳米器件，将在治疗、诊断平台以及材料科学、组织工程等学科领域中产生极大的影响。