哥伦比亚大学工程师3D打印自组装DNA，使用生物分子代码大规模生产纳米级设备

2025年7月14日，南极熊获悉，来自哥伦比亚大学的研究人员正在利用 DNA 自组装复杂的纳米级结构，重新定义 3D 打印的极限，为未来制造比以往更快、更便宜、功能更强大的微型设备打开大门。

相关研究的一部分以题为“Encoding hierarchical 3D architecture through inverse design ofprogrammable bonds”的论文发表在《Nature》杂志上，另一部分以题为“ArbitraryDesign of DNA-Programmable 3D Crystals through Symmetry Mapping”的论文发表在《ACS Nano》杂志上。

△相关研究论文

本研究主要负责人的是哥伦比亚大学工程学院的化学工程师、布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心负责人奥列格·甘教授，他表示：“我们现在可以用自组装纳米组件构建复杂的三维结构，这有点像纳米版的帝国大厦。”

Gang 的实验室没有依赖传统的自上而下的方法，例如光刻技术，因为这些方法难以处理 3D 特征，而且通常需要缓慢的连续制造，而是采用了 DNA 引导的自下而上的自组装技术。这种“下一代 3D 打印”方法利用水基环境，可以快速、可持续地并行构建设备。

这项创新的核心是微小体素——机械性能稳定、基于DNA的八面体，它们像纳米级拼图碎片一样紧密贴合。Gang的团队使用一种名为MOSES（结构编码组装映射）的定制算法，可以从所需结构逆向工程这些碎片，从而像纳米CAD软件一样简化设计流程。“它会告诉你应该使用哪个DNA体素来构建一个特定的、任意定义的三维层次有序晶格，”Gang说道。

△利用DNA可编程键组装的三维分层有序纳米颗粒结构的艺术渲染图（左图）。所需结构及其光学反射特性的设计，以及具有反射特性的成型材料图像（右上图）。纳米颗粒以线状排列、在光的半波长处分离的已实现结构的电子显微镜图像（右下图）。图片来源：Oleg Gang。

每个体素还可以携带“纳米载体”（例如金纳米颗粒或感光材料），从而定制最终结构的属性，以适应光学、生物传感和神经形态计算等应用。在最近的合作中，研究团队利用这种方法创建了3D光传感器和用于光学计算的结构。组装完成后，一些设备甚至会被“矿化”：DNA支架被涂覆二氧化硅，然后经过热处理，制成耐用的无机版本。

Gang说道：“我们正在顺利建立自下而上的3D纳米制造平台。我们将其视为纳米级的‘下一代3D打印’。

通过模拟生物系统并利用DNA可预测的折叠行为，Gang团队在原子尺度上实现了前所未有的控制。他们通过先进的X射线和电子显微镜证实的自组装结构，预示着高速、环保的纳米制造技术的未来，以及其广泛的工业应用。

用 Gang 的话来说：“这是一个适用于多种不同特性的材料的平台：生物、光学、电学、磁性。” 以 DNA 为基础，唯一的限制就是设计。