在纳米尺度上精确施加力与扭矩，是解析分子马达力学机制、操控细胞信号通路以及发展新型纳米机器人技术的关键。传统的磁镊技术虽已成功应用于单分子力谱学，但其使用的微米级磁珠体积过大，难以实现单分子级别的空间分辨。而磁性纳米颗粒虽具备单分子结合能力，但由于其磁矩通常仅有10⁻¹⁸ A·m²量级，即便在数百毫特斯拉的强磁场下，所能产生的力也仅为飞牛顿（fN）级别，远低于操控分子马达或细胞表面受体所需的1–100皮牛顿（pN）范围。这一“力程鸿沟”构成了该领域长期存在的核心挑战。
自然界中的趋磁细菌通过生物矿化作用将氧化铁纳米颗粒排列成链状结构，使净磁矩提升约20倍，从而能够感知地磁场进行导航。这一自组装策略为人工纳米磁性执行器的设计提供了重要启示，但如何在合成体系中实现对颗粒数量、空间排布及取向的精确控制，仍是亟待解决的技术难题。DNA折纸（DNA origami）技术因其纳米级定位精度和可编程的位点特异性，为突破这一瓶颈提供了理想的平台。六螺旋束（6HB）DNA折纸结构具有1.6–1.9 µm的持续长度，足以作为刚性骨架实现有效的力与扭矩传递。
本研究由慕尼黑工业大学生命科学学院的Lennart J. K. Weiß、Florian Rothfischer，布伦瑞克工业大学电气测量科学研究所的Yihao Wang，以及慕尼黑大学物理系的Christoph Pauer等研究人员合作完成，通讯作者为Joe Tavacoli和Aidin Lak。论文于2026年发表于《Advanced Materials》期刊，标题为“Magnetic DNA Origami Nanorotors”。
研究团队设计了两种不同的磁性DNA折纸纳米转子（MADONA）构型。第一种为多MNC设计（multi-MNC MADONA），其结合位点间距约为6–8 nm，总长度约216 nm，平均可容纳7–8个磁性纳米立方体（MNC），枢轴点位于转子一端。第二种为四MNC设计（4-MNC MADONA），具有四个明确分离的结合位点，颗粒中心间距约为64 nm，枢轴点居中，以限制转子在z轴方向的运动。两种设计均基于约415 nm长的6HB DNA折纸骨架，通过单链DNA-生物素延伸与中性亲和素-生物素相互作用锚定于测量玻璃表面，实现自由的半球面/平面内旋转。
研究所用的磁性纳米立方体具有Co₀.₄Zn₀.₂Fe₂.₄O₄的化学组成，平均边长16.7±3.7 nm，经聚（马来酸酐-alt-1-十八碳烯）-PEG(3)-叠氮嵌段共聚物包覆后粒径增至26.7±3.2 nm。随后接枝20个核苷酸长的oligo(dT)单链DNA，最终水动力学直径达到45.8±1.0 nm。磁滞回线测量显示，这些纳米立方体在缓冲液中的饱和磁化强度为M_s = 269 kA m⁻¹，对应单个颗粒的平均磁矩m = 1.25×10⁻¹⁸ A m²，是商用15 nm球形氧化铁纳米颗粒磁矩的8.5倍。其有效各向异性常数为K_eff = 50200 J m⁻³，比典型氧化铁纳米颗粒高一个数量级。
实验采用全内反射荧光显微镜（TIRFM）系统，配备两对伪亥姆霍兹线圈以实现在x-y平面内的全磁场控制。通过施加静态磁场或形式为B(t) = B_x cos(2πft) – B_y sin(2πft)的旋转磁场，在高黏度缓冲液（η ≈ 12.5 mPa s）中追踪转子的角位置变化。研究还开发了二维动态粒子耦合模型，采用Metropolis蒙特卡洛（MMC）算法，通过考虑塞曼能、磁各向异性能和偶极-偶极相互作用来最小化体系的总自由磁能。
多MNC设计的行为特征：在超过2 mT的场强下，多MNC MADONA在单转子水平上表现出明显的磁性约束。随着场强增大，角涨落进一步受限，磁陷阱刚度可通过角涨落幅度进行量化。当外场关闭后，转子恢复自由布朗运动。在面内旋转磁场驱动下，部分转子能同步跟随旋转磁场至10 Hz，但其他转子则出现相位滑移，仅能不完全跟随外场。自由扩散的转子推测为未负载MNC者，而被驱动和同步转动的转子可能从部分负载到完全负载不等。
4-MNC设计的定量表征：无外场时，转子表现出扩散运动，其旋转扩散系数呈对数正态分布（μ = 2.39，σ = 0.55，R² = 0.94），最概然值为D_rot = 8 rad² s⁻¹，对应阻力系数ζ_rot = 2.7×10⁻²² N m s。这一数值与长度为415 nm、宽度为8 nm的棒状结构在黏度为12.5 mPa s介质中的体相旋转阻力系数理论值（2.4×10⁻²² N m s）高度吻合。透射电镜统计分析表明，约54%的4-MNC MADONA完全组装了4个MNC，约21%负载3个或更少MNC，另外25%的转子带有1–2个二聚体或5个MNC。
扭矩量化与同步性分析：研究建立了过阻尼条件下的扭矩平衡方程：ζ·φ_r + U′(φ_r) + ξ(t) = m_r B sin(ωt – φ_r + δφ)，其中ζ为阻力系数，U′(φ_r)为能量景观的空间导数，ξ为高斯白噪声。同步旋转的条件为m_eff B ≥ ζω_b。通过锁相值（PLV）判据确定各转子和各驱动频率下的失步场强，进而估算有效磁矩m_eff。实验结果表明，在9 mT场强下，转子可产生从数个到约100 pN nm的磁场诱导扭矩，这一宽范围反映了转子间的异质性以及失步判据的内在模糊性。
蒙特卡洛模拟与集体磁性：模拟结果显示，在9 mT场强、允许颗粒旋转60°的条件下，4-MNC MADONA的m_eff为2.98±0.2 aA m²，相当于四个MNC完美排列时m_eff = 5 aA m²的约60%。这一排列程度高于悬浮液中单个MNC在相同场强下的约45%排列度，表明组装在6HB束上的MNC之间存在15%的排列增益，证实了集体磁耦合效应的存在。最佳实验-模拟一致性出现在60°旋转自由度时，实验扭矩τ = 28.8±6.1 pN nm与模拟扭矩τ = 26.7±8.4 pN nm高度吻合，Bhattacharyya系数达到0.96。
本研究成功构建了纳米尺度的磁性DNA折纸执行器，能够在个位数毫特斯拉的磁场下产生生物相关的扭矩。通过在刚性6HB DNA折纸转子上精确排布高磁性、高各向异性的定制MNC，实现了对纳米转子运动的全光学追踪和磁场控制。4-MNC设计产生的扭矩足以对抗并操控F₀F₁-ATP酶等旋转分子马达——该马达的失速扭矩约为40 pN nm。
研究的核心创新在于，通过将结合位点间距设置为大于一个颗粒尺寸（64 nm），实现了定量结合与偶极-偶极相互作用之间的最优权衡。蒙特卡洛模拟与实验数据的高度一致性表明，组装结构导致了集体磁行为，显著提升了有效磁矩。在低黏度条件（η ≈ 1 mPa s）下，MADONA可在9 mT、40 Hz的频率下被驱动旋转，展示了其在生物环境中高速操控的潜力。
该研究为生物正交纳米执行器的发展奠定了概念验证基础。由于磁场对生物组织无害且衰减极小，MADONA为活体内的远程操控和药物递送提供了可行的技术路径。其真正纳米尺度的尺寸使其能够匹配单分子级别的力与扭矩探针需求，避免了微米级执行器的空间分辨率限制。此外，DNA折纸的可寻址性使得MADONA成为探索复杂磁性运动与磁性组装效应的理想平台，为未来可编程扭矩纳米探针和纳米机器人技术的发展开辟了新的方向。