[논문 리뷰] Microfluidic Fabrication and Analysis of Biocompatible, Monodisperse DNA-Hydrogels with Tunable Swelling and Dissolution Kinetics

Corinna Torabi, Takayuki Suzuki외 5명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 28.

Hydrogels: synthesis, properties, applications인용 수 0

한 줄 요약

논문은 조정 가능한 등방성 팽창과 서열특정 용해를 가진 마이크로스케일 DNA 하이드로젤(microSDs)을 위한 생체적합 제조 워크플로우를 제시하여, 제어된 분자 운반 및 잠재적 생의학 응용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로스케일 DNA 하이드로겔(microSDs)을 위한 생체적합하고 재료 효율적인 제조 워크플로우를 개발한다.
• 등방성 팽창을 모듈식으로 제어하여 최대 두 배의 크기 증가를 달성한다.
• 유효 확산도 추출 및 팽창에 의한 매개 운반 변화 연구를 위한 정량적 워크플로우를 확립한다.
• 서열 특이적 가닥 치환 반응을 이용한 microSD의 용해를 시연한다.

제안 방법

• 데드 볼륨과 공정 손실을 최소화하는 생체적합 제조 워크플로우.
• 마이크로SD에서 팽창 특성을 제어하기 위한 DNA 서열의 모듈식 설계.
• 구형 microSD에서 확산도 및 팽창이 분자 운반에 미치는 영향을 정량화하기 위해 YOYO-1을 사용한다.
• 연계된 가닥 치환 반응과 확산에 의해 촉발되는 DNA 가닥에 의해 용해를 유발한다.
• 팽창으로 인한 네트워크 팽창을 운반 특성을 조절하는 메커니즘으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로스케일 DNA 하이드로겔을 생체적합하고 DNA 효율적으로 제조할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 마이크로SD의 등방성 팽창을 프로그래밍 방식으로 제어할 수 있으며, 그 크기는 얼마만큼까지 가능한가?
• RQ3 팽창이 마이크로SD 내부의 분자 운반에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 정량화할 수 있는가?
• RQ4 마이크로SD는 서열 특이적 DNA 상호작용에 의해 선택적으로 용해될 수 있으며, 그 동역학은 무엇에 의해 좌우되는가?

주요 결과

• 마이크로SD를 위한 생체적합하고 재료 효율적인 제조 워크플로우가 시연되었다.
• 등방성 팽창은 제어 가능했으며, 프로그래밍 가능한 DNA 설계 매개변수를 통해 최대 두 배의 크기 증가를 달성했다.
• YOYO-1을 이용한 정량적 워크플로우가 마이크로SD에서 유효 확산도와 팽창에 의해 조절되는 운반을 정량화했다.
• DNA 가닥을 이용한 마이크로SD의 용해가 달성되었으며, 용해 동역학은 결합된 가닥 치환 반응 속도와 확산 운반에 의해 좌우되었다.
• 팽창으로 인한 네트워크 확장이 분자 운반을 예측 가능하게 조절하도록 하며, 트리거드 약물 전달 및 바이오센싱의 잠재적 응용을 가능하게 한다.