光学刺激响应的DNA液晶及力学性能研究

Recently, solvent-free thermotropic liquid crystals (TLCs) from DNA have attracted great attention, owing to their relevance to DNA-inspired optoelectronic technical applications. Up to now, however, the fabrication and study of photo-responsive DNA TLCs still remain a challenge. Therefore, there is considerable demand for the development of TLC systems based on biomacromolecular architectures with photo-responsive properties. In this project, based on our previous work in fabricating biomacromolecular TLCs, we will prepare two categories of photochromic surfactant-DNA TLCs. Firstly, we will design and synthesize different azobenzene/spiropyran cationic surfactants with good water solubility. DNA–surfactant TLCs can be prepared through electrostatic complexation between negative charged DNA and positive charged surfactant. Secondly, based on the photoisomerization of azobenzene/spiropyran under light, we will study the DNA TLCs phase transitions (nematic phase to smectic phase) triggered by light. Besides, the photo-induced mechanical properties of DNA TLCs including directional bending/stretching, spring constant, viscosity, will be also investigated. This project will provide theoretical foundation for the development of DNA TLCs utilized as stimuli-responsive biomaterials and meanwhile, offer new ideas for smart biomaterials fabrication.

近年来，随着DNA在光电子技术相关领域的应用，DNA无溶剂热致液晶也受到越来越多的重视。然而，能够对光刺激产生响应的DNA热致液晶材料还鲜有报道，因此，发展一类新型的光学刺激响应的DNA热致液晶具有重要意义。本项目中，我们将在前期生物大分子热致液晶的工作基础上，制备两类含有光致变色基团的表面活性剂-DNA热致液晶。首先通过结构设计，合成水溶性较好的带正电荷的偶氮苯/螺吡喃类表面活性剂，借助于表面活性剂与DNA之间的静电作用力，制备DNA热致液晶。其次，基于偶氮苯/螺吡喃在光照前后的结构异构化，研究在光照刺激下，因DNA热致液晶结构取向的变化而引起的液晶相态之间的转变（例如：向列相到近晶相），以及光照后液晶材料的定向伸展弯曲、刚度常数及粘弹性等力学性质的改变。本研究将为DNA热致液晶作为刺激-响应型生物材料的发展提供理论基础，并为智能生物材料的制备提供新思路。

近年来，无溶剂DNA热致液晶材料已经成为DNA生物材料领域的研究热点之一。其中，光刺激响应型DNA热致液晶在生物医药和光电子技术领域有着重要的潜在应用价值。然而，到目前为止，能够对光刺激产生可逆性质调控的DNA热致液晶材料还鲜有报道，本研究项目旨在发展光刺激响应型DNA热致液晶材料。在本研究项目中，通过设计合成偶氮苯类光敏型表面活性剂，将其与DNA静电结合，制备得到了三类具有不同功能的光致相变型无溶剂DNA热致液晶材料。该三类DNA液晶材料能够在室温条件下实现可逆光致相变（即由有序态转变成无序态），适用于发展具有自愈合、形状记忆和光热转化等功能的生物材料。此外，本项目在固体螺吡喃光致变色和掺杂型（金纳米颗粒和对抗阴离子）无溶剂DNA热致液晶材料方面做了相关探索研究，为后续研究中发展新型的刺激-响应型DNA热致液晶材料提供了研究基础。本项目中发展的刺激-响应型无溶剂DNA热致液晶材料，具有热稳定性好、水不溶性和生物兼容性等特点，为功能性DNA材料在多个领域的研究和应用提供了新的可能。