[发明专利]可编程、自组装的具补丁纳米颗粒以及相关装置、系统和方法

说明书

本发明一般地涉及纳米制造，并且在一些实施方案中涉及合成选择性结合具补丁纳米颗粒的方法和可由其制成的装置。在一些实施方案中，本发明涉及由具补丁纳米立方体组装任意形状结构的方法以及后续的装置和用途。例如，可如下对纳米立方体构建块打补丁：用选择性结合化学物质(例如，DNA、抗体‑抗原对，等)冲压其表面，或者使用自组装来使可对不相混性预编程的多种选择性结合补丁物质附接于纳米立方体。然后，可通过决定哪些面将在某一目标结构中彼此接合并将在这些面上具有选择性结合补丁的纳米立方体组合来设计和组装任意形状的结构。本发明的另一些方面还涉及制备这样的纳米立方体或其他纳米颗粒的方法、形成这样的纳米立方体的方法。

相关申请

本申请要求于2015年7月21日提交的美国临时专利申请序列号62/195,175的权益，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及纳米制造，并且在一些实施方案中涉及合成选择性结合具补丁纳米颗粒(selectively binding patched nanoparticle)的方法和可由其制成的装置。

背景技术

本说明书通篇对现有技术的任何讨论不应以任何方式视为承认这样的现有技术是本领域中公知的或者形成本领域中公知常识的一部分。

研究人员已经擅长于合成球体、立方体、棱镜、管、颗粒晶格以及多种尺寸小于1微米的相同颗粒的其他高度对称的单分散系统。然而，使用当前可用的方法，合成这些尺寸的更复杂的不对称形状是非常困难且过于复杂的。虽然我们的车床、3D打印机和多种其他形状模塑方法可用于在宏观尺度产生复杂的形状，但是目前的技术不能够产生具有纳米尺寸的所有可能几何形状的完全集(complete set)。

例如，很多团队已经实现使用DNA寡聚物来提供可编程性，并且这已激发了整个DNA折纸(DNA origami)领域。DNA折纸是利用DNA可编程性来实现不对称的复杂纳米结构的技术。这种技术具有几个主要缺点。首先，在发生DNA错配并且抑制超结构形成之前，只能组装相当简单的结构。因此，复杂的结构以相对较低的产率形成。其次，DNA折纸不具有纳米颗粒固有的功能。

另外，经DNA涂覆的纳米颗粒已经合成出近20年。尽管这些结构可以以多种形状(例如球体、圆柱体、立方体)制成，但是其通常具有仅一种或至多两种不同种类的DNA涂覆单一纳米颗粒的表面。此外，使用当前可用的技术难以控制不同DNA补丁(DNA patch)在纳米颗粒表面上的相对位置。因此，难以以任何可容易推广的方式对复杂结构的组装进行编程。

通过将补丁冲压(stamping)到纳米立方体上已经示出具有两种种类(即亲水性和疏水性)补丁的纳米立方体的产生。由于用仅两种种类补丁只能制成有限种类的形状，这种组装方法不能够产生任意形状的结构。此外，由于纳米立方体之间的疏水相互作用相对较弱，因此局限于由少数纳米立方体制成的结构。尽管已经表明用多种选择性补丁打补丁的纳米立方体的某些实施方案在理想条件下是理论上稳定的，但是这些理论结果具有若干缺点。首先，其是理论性的。其没有提供任何实际组装具补丁纳米颗粒(patchednanoparticle)的实验方法；其仅表明如果可找到合成颗粒的方法，则颗粒将是热力学上稳定的。这样的理论研究也假定补丁之间的可调不相混性(immiscibility)，而没有解释这样的情况如何实际地在实验上出现。其也没有提供以下的任何解释：这样的补丁如何可以是选择性的，哪些材料可用于产生这样的补丁，或这样的补丁如何可被选择性地仅冲压在纳米立方体的特定位置上。

发明概述

本发明一般地涉及纳米制造，并且在一些实施方案中涉及合成选择性结合具补丁纳米颗粒的方法和可由其制成的装置。在一些情况下，本发明的主题涉及相互关联的产品、特定问题的可替选解决方案和/或一种或更多种系统和/或物品的多种不同用途。