可编程、自组装的具补丁纳米颗粒以及相关装置、系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Programmable, self assembled patch nanoparticles and related devices, systems and methods

In general, the invention relates to nano manufacturing, and in some implementation schemes, a method for synthesizing selectively binding nanoparticles with a patch and a device made of it are involved in some implementation schemes. In some embodiments, the invention relates to a method for assembling arbitrary shape structures with patches of nano cubes and subsequent devices and uses. For example, a patch of nanoscubes can be patched as follows: selectively binding chemical substances (e.g., DNA, antibody antigen pairs, etc.) to press their surfaces or to use self-assembly to attach a variety of selective binding patch materials to the nano cubes for unmixed preprogramming. Then, the structure of any shape can be designed and assembled by determining which surfaces will be merged with each other in a target structure and will have a combination of nanoscubes with a selective patch on these surfaces. Other aspects of the invention also involve methods for preparing such nano cubes or other nanoparticles, and methods for forming such nano cubes.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
本专利技术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(selectivelybindingpatchednanoparticle)的方法和可由其制成的装置。
技术介绍
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(completeset)。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(DNAorigami)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(DNApatch)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。专利技术概述本专利技术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，本专利技术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。例如，本专利技术的一些实施方案一般地涉及与产生可用于构建(例如通过自组装)任意形状纳米结构的可编程构建块(buildingblock)相关的装置、系统和方法。在一些实施方案中，这些方法可用于产生具补丁纳米颗粒，其上可存在三种或更多种选择性结合补丁。描述了多种系统和方法，详细讨论了其中独特的DNA补丁存在于纳米颗粒的面上的情况，但是这些应视为仅是示例性的，并且本专利技术的另一些实施方案适用于在纳米颗粒上任何位置(包括顶点和边缘)的其他选择性结合材料的补丁。本文中讨论的某些实施方案涉及用三种或更多种选择性结合补丁组装纳米颗粒的多种方法和由这些具补丁纳米颗粒组装任意形状结构的多种方法。在某些方面，公开了具补丁纳米颗粒组装方法，其包括用三种或更多种种类的选择性结合化学补丁冲压面。在另一个实施方案中，公开了具补丁纳米颗粒组装方法，其包括在溶液中将纳米立方体与三种或更多种种类的包含具有预定相混特性(miscibleproperty)之区域的序列的选择性结合化学物质组合。在另一个实施方案中，公开了合成任意形状纳米结构的方法，其包括在溶液中连接使用上述方法合成的纳米颗粒的一定组合，并使不同颗粒上的互补选择性结合补丁结合。这些方法可允许形成这样的结构，其在多个实施方案中：(1)可被预编程以具有任何任意期望形状；(2)以简单的设计规则为特征；(3)表现出纳米颗粒功能性(例如电学、光学、催化特性等)，和/或(4)可扩展到更大的结构。根据另一方面，本专利技术一般地涉及组合物。在一些实施方案中，该组合物包含多个纳米颗粒。在某些实施方案中，该组合物是超结构(例如包含纳米颗粒)。在一组实施方案中，该组合物包含超结构，所述超结构包含以面对面接触(face-to-facecontact)相连接(join)以形成超结构的至少三个纳米颗粒。在一些实施方案中，超结构的每个面对面接触由各接触纳米颗粒之间的结合相互作用限定。在一些情况下，纳米颗粒的超结构中的每种结合相互作用占纳米颗粒的超结构中总结合相互作用的不超过10％。在另一组实施方案中，该组合物包含超结构，所述超结构包含通过特异性结合相互作用接合(bond)在一起的至少三个纳米颗粒。在一些情况下，纳米颗粒的超结构中的每种结合相互作用占纳米颗粒的超结构中总结合相互作用的不超过10％。在另一组实施方案中，该组合物包含含有至少三个纳米颗粒的稳定超结构，其中至少两个纳米颗粒在超结构中彼此不接触。根据另一组实施方案，该组合物包含由多个纳米颗粒形成的稳定超结构，其中形成超结构的纳米颗粒的不超过50％是相同的。在另一组实施方案中，该组合物包含多种由通过非共价相互作用结合在一起的纳米颗粒形成的超结构。在一些情况下，超结构的至少50％包含至少三个纳米颗粒并且是不可区分的(indistinguishable)。另一组实施方案一般地涉及多种超结构，其中超结构由以面对面接触相连接以形成超结构的纳米颗粒形成。在某些情况下，超结构的至少50％包含至少三个纳米颗粒并且是不可区分的。在另一组实施方案中，该组合物一般地涉及包含多种由纳米颗粒形成的稳定超结构的混悬液。在一些情况下，混悬液中超结构的至少30％包含至少三个纳米颗粒并且是不可区分的。在一组实施方案中，该组合物包含第一纳米颗粒和第二纳米颗粒，所述第一纳米颗粒包含含有第一结合配偶体(bindingpartner)的第一面、含有第二结合配偶体的第二面和含有第三结合配偶体的第三面，所述第二纳米颗粒包含含有结合配偶体的第一面。在某些情况下，第二纳米颗粒的结合配偶体能够与第一纳米颗粒的第一结合配偶体特异性结合而不与第二或第三结合配偶体特异性结合。根据另一组实施方案，该组合物包含多个纳米颗粒，其至少包含各自含有面的第一和第二纳米颗粒。在一些实施方案中，第一和第二纳米颗粒各自的面具有不同的结合配偶体布置。在某些情况下，第一纳米颗粒的仅一个面和第二纳米颗粒的一个面具有可彼此特异性结合的结合配偶体。另一组实施方案一般地涉及包含传导通路(conductivepathway)的电子电路(electroniccircuit)，所述传导本文档来自技高网...

【技术保护点】
组合物，其包含：含有至少三个纳米颗粒的超结构，所述纳米颗粒以面对面接触相连接，以形成所述超结构，所述超结构的每个面对面接触由各接触纳米颗粒之间的结合相互作用限定，其中纳米颗粒的所述超结构中的每种所述结合相互作用占纳米颗粒的所述超结构中总结合相互作用的不超过10％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.21 US 62/195,1751.组合物，其包含：含有至少三个纳米颗粒的超结构，所述纳米颗粒以面对面接触相连接，以形成所述超结构，所述超结构的每个面对面接触由各接触纳米颗粒之间的结合相互作用限定，其中纳米颗粒的所述超结构中的每种所述结合相互作用占纳米颗粒的所述超结构中总结合相互作用的不超过10％。2.权利要求1所述的组合物，其中纳米颗粒的所述超结构中的每种结合相互作用是独特的。3.权利要求1或2中任一项所述的组合物，其中至少一些所述结合相互作用是核酸相互作用。4.权利要求1至3中任一项所述的组合物，其中至少一些所述结合相互作用是氢键相互作用。5.权利要求1至4中任一项所述的组合物，其中至少一些所述结合相互作用是共价偶联。6.权利要求1至5中任一项所述的组合物，其中至少一些所述结合相互作用是疏水相互作用。7.权利要求1至6中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是多面体纳米颗粒。8.权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。9.权利要求1至8中任一项所述的组合物，其中所述超结构中的每个所述纳米颗粒是纳米立方体。10.权利要求1至9中任一项所述的组合物，其中所述超结构中的每个所述纳米颗粒是纳米立方体。11.权利要求1至10中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒的最大内部尺寸小于约1微米。12.权利要求1至11中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒包含金属。13.权利要求1至12中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒包含金。14.权利要求1至13中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒包含铜。15.权利要求1至14中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒包含半导体。16.权利要求1至15中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒包含硅。17.权利要求1至16中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少10个纳米颗粒。18.权利要求1至17中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少100个纳米颗粒。19.权利要求1至18中任一项所述的组合物，其中所述超结构中的每个所述纳米颗粒包含独特的补丁布置。20.权利要求1至19中任一项所述的组合物，其中形成稳定超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。21.权利要求1至20中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。22.权利要求1至21中任一项所述的组合物，其中所述超结构是稳定的。23.组合物，其包含：含有通过特异性结合相互作用接合在一起的至少三个纳米颗粒的超结构，其中纳米颗粒的所述超结构中的每种所述结合相互作用占纳米颗粒的所述超结构中总结合相互作用的不超过10％。24.权利要求23所述的组合物，其中形成所述超结构的所述纳米颗粒之间的每种结合相互作用在所述超结构中是独特的。25.权利要求23或24中任一项所述的组合物，其中至少一些所述结合相互作用是核酸相互作用。26.权利要求23至25中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。27.权利要求23至26中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少10个纳米颗粒。28.权利要求23至27中任一项所述的组合物，其中形成所述超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。29.权利要求23至28中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。30.组合物，其包含：含有至少三个纳米颗粒的稳定超结构，其中至少两个所述纳米颗粒在所述超结构中彼此不接触。31.权利要求30所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是多面体纳米颗粒。32.权利要求31所述的组合物，其中所述超结构由以面对面接触定位的所述多面体纳米颗粒形成。33.权利要求30至32中任一项所述的组合物，其中所述稳定超结构包含在混悬液中。34.权利要求30至33中任一项所述的组合物，其中所述稳定超结构中的每个所述纳米颗粒包含独特的补丁布置。35.权利要求30至34中任一项所述的组合物，其中形成所述稳定超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。36.权利要求30至35中任一项所述的组合物，其中形成所述稳定超结构的所述纳米颗粒面对面接触。37.权利要求30至36中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。38.权利要求30至37中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少10个纳米颗粒。39.权利要求30至38中任一项所述的组合物，其中形成所述超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。40.权利要求30至39中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。41.组合物，其包含：由多个纳米颗粒形成的稳定超结构，其中形成所述超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。42.权利要求41所述的组合物，其中形成所述稳定超结构的所述纳米颗粒面对面接触。43.权利要求41或42中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。44.权利要求41至43中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少10个纳米颗粒。45.权利要求40至44中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。46.组合物，其包含：多种由通过非共价相互作用结合在一起的纳米颗粒形成的超结构，其中至少50％的所述超结构包含至少三个纳米颗粒并且是不可区分的。47.权利要求46所述的组合物，其中形成稳定超结构的所述纳米颗粒面对面接触。48.权利要求46或47中任一项所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。49.权利要求46至48中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含至少10个纳米颗粒。50.权利要求46至49中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。51.权利要求46至50中任一项所述的组合物，其中纳米颗粒的所述超结构中的每种所述非共价相互作用是独特的。52.组合物，其包含：多种超结构，所述超结构由以面对面接触相连接以形成所述超结构的纳米颗粒形成，其中至少50％的所述超结构包含至少三个纳米颗粒并且是不可区分的。53.权利要求52所述的组合物，其中至少一些所述纳米颗粒是纳米立方体。54.权利要求52或53中任一项所述的组合物，其中至少一些所述超结构包含至少10个纳米颗粒。55.权利要求52至54中任一项所述的组合物，其中形成所述超结构的所述纳米颗粒的不超过50％是相同的。56.权利要求52至55中任一项所述的组合物，其中所述超结构包含在混悬液中。57.权利要求52至56中任一项所述的组合物，其中以面对面接触相连接以形成所述超结构的所述纳米颗粒通过非共价相互作用连接。58.权利要求57所述的组合物，其中至少一些所述非共价相互作用是核酸相互作用。59.权利要求57或58中任一项所述的组合物，其中每种所述非共价相互作用在超结构中是独特的。60.组合物，其包含：含有多种由纳米颗粒形成的稳定超结构的混悬液，其中所述混悬液中至少30％的所述超结构包含至少三个纳米颗粒并且是不...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿伦·T·桑托斯，德雷克·M·莱昂斯，
申请(专利权)人：DNP一二三公司，
类型：发明
国别省市：美国,US