[論文レビュー] Microfluidic Fabrication and Analysis of Biocompatible, Monodisperse DNA-Hydrogels with Tunable Swelling and Dissolution Kinetics

Corinna Torabi, Takayuki Suzuki+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2026

Hydrogels: synthesis, properties, applications被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、調整可能な等方膨張と配列特異的溶解を備えるミクロンスケールDNAヒドロゲル（microSDs）の生体適合性製造ワークフローを提示し、分子輸送を制御し得る可能性のある生体医療応用を可能にする。

ABSTRACT

Stimulus-responsive DNA-hydrogels with swelling capabilities are a promising class of materials for biomedical applications such as drug delivery and biosensing. Designing these systems remains challenging because fabrication methods must be simultaneously biocompatible and conserve scarce DNA materials, even at the microscale. Moreover, stimulus-induced swelling must be precisely controlled and shown to drive measurable changes in molecular properties. We present a biocompatible fabrication and characterization method for micron-scale DNA-hydrogels with tunable isotropic swelling and dissolving properties. We first developed a fabrication method demonstrating that both the hydrogel composition and the fabrication process itself are biocompatible, while also minimizing the consumption of valuable DNA reagents. We then demonstrated modular control over isotropic swelling in micron-scale DNA microgels, achieving up to a two-fold size increase with tunable swelling through defined design parameters. We further established a quantitative workflow to measure structural changes of spherical, swollen and unswelled microgels leveraging the diffusive properties of a DNA-binding dye. Finally, we demonstrate tunable dissolving of microgels and quantitatively reveal various experimental factors that influence dissolution rates beyond what is traditionally considered in microgel experiments. Together, these advances establish a biocompatible platform for the fabrication and analysis of stimulus-responsive DNA micro-hydrogels, providing a foundation for their future use in drug delivery, biosensing, and related biomedical technologies.

研究の動機と目的

• ミクロスケールDNAヒドロゲル（microSDs）の生体適合性かつ資材効率の高い製造ワークフローを開発する。
• 等方膨張を最大2倍のサイズ増加までモジュール的に制御する。
• 有効拡散係数を抽出する定量的ワークフローを確立し、膨張誘起輸送の変化を研究する。
• 配列特異的ストランド置換反応によりmicroSDsの溶解を実証する。

提案手法

• デッドボリュームとプロセスロスを最小化する生体適合性製造ワークフロー。
• microSDsの膨張挙動を制御するDNA配列のモジュール設計。
• YOYO-1を用いて拡散性と球状microSDsにおける膨張の分子輸送への影響を定量化する。
• 連関したストランド置換反応と拡散によるDNA鎖によってトリガーされる溶解。
• 膨張誘起のネットワーク拡張を輸送特性を調整する機構として分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロスケールのDNAヒドロゲルを生体適合性かつDNA効率の高い方法で製造するにはどうすれば良いか？
• RQ2 microSDsの等方膨張はプログラム可能に制御でき、どの程度まで達成できるか？
• RQ3 膨張はmicroSDs内部の分子輸送にどのように影響し、それをどう定量化できるか？
• RQ4 microSDsは配列特異的DNA相互作用によって選択的に溶解できるか、動力学を支配する要因は何か？

主な発見

• microSDsの生体適合性かつ資材効率の高い製造ワークフローが実証された。
• 等方膨張は制御可能で、プログラム可能なDNA設計パラメータを通じて最大2倍のサイズ増加を達成した。
• YOYO-1を用いた定量的ワークフローにより、有効拡散係数と膨張による輸送変化が定量化された。
• DNA鎖を用いた溶解が実現し、溶解キネティクスは連結されたストランド置換反応速度と拡散輸送によって支配された。
• 膨張誘起のネットワーク拡張は分子輸送の予測可能な調整を可能にし、トリガー型薬物送達や生体検知への潜在的応用を可能にする。