构建生物防伪涂层，把密码“写进”材料本体
前言
在消费品防伪领域，通过扫描二维码进行初步验证已成为大众熟知的常规手段。然而，科研人员正致力于将身份验证从“外部标识”推向“本体嵌入”——不仅为珠宝、腕表等高价值商品构建更高等级的安全核验体系，更尝试将关键信息直接写入材料自身，使“材料即载体”成为现实。
4月16日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室、合成生物学研究所钟超团队在《物质》上发表研究成果，题为"Hierarchical amyloid-DNA complex encoding multi-scale embedded information security"。该研究开发了一种多层级信息加密平台——HIDE（Hierarchical Information-encrypting DNA-Engineered coatings）。
这一平台创新性地将可编程淀粉样蛋白纳米纤维与DNA分子结合起来，使一层近乎透明的微米级涂层同时兼具材料载体与信息载体的双重功能，可实现跨尺度信息隐藏和分级验证，为物理信息安全与高等级防伪开辟了全新路径。
“我们的目标并非打造一枚传统意义上的防伪标签，而是将安全信息真正内嵌于材料本体，赋予材料自身表达身份与可被验证的能力。”钟超说。
图1.期刊网站的研究论文截图
01、一层透明涂层，装下“四重密码”
传统防伪技术通常只能在单一尺度上承载信息，例如图案、颜色变化或特定光学响应等。HIDE的独特之处在于，它将多层级信息集成于同一重组蛋白纤维-DNA涂层之中，构建出一个跨越宏观、微观、纳米及分子尺度的“四重密码”体系（图1）。
其中，第一重为宏观尺度信息，例如仅在特定光照条件下显现的二维码，可由手机直接读取；第二重为显微尺度信息，包括微图案和衍射图样，需要借助显微镜或激光进行识别；第三重为纳米尺度信息，体现为蛋白纳米纤维不同的组装方式及结构排布；第四重则为分子尺度信息，即直接编码于DNA序列中的加密内容。不同层级的信息分布于不同空间尺度，并对应差异化的读取方式。
换言之，一层看似普通的透明涂层，实际上能够同时承载公开识别信息、进阶验证信息以及深层机密信息，从而形成层层递进的防伪与认证体系。
图2.HIDE多层级信息加密平台示意图
02、让重组蛋白变成“隐形信息载体”
HIDE的核心是一种能够自组装形成涂层的蛋白纳米纤维材料。研究团队以人源FUS蛋白为基础，设计了两类带有不同荧光信号的重组蛋白：一类发绿色荧光，另一类发红色荧光（图3）。这些蛋白在合适条件下能够自发组装成细小的纳米纤维，并进一步附着在玻璃、铝片、PET和云母等多种材料表面，形成均一稳定的涂层。更特别的是，这种涂层几乎是“隐形”的——在玻璃表面，其可见光透过率超过94%，肉眼看上去就像一层几乎不存在的透明薄膜（图3）。
研究团队进一步发现，只要改变这两类蛋白的混合方式和加入顺序，就能得到不同的纳米纤维结构。比如，如果将两种蛋白单体直接混合，它们会随机地共同组装，形成一种混合型纳米纤维；如果先让一种蛋白形成纤维，再加入另一种蛋白单体，后加入的蛋白会沿着原有纤维继续生长，从而形成“分段式”的纳米纤维；而如果先让两种蛋白各自独立组装成纤维，再把它们混合在一起，则会形成两套彼此共存、但互不混杂的纳米纤维网络（图3）。
虽然这三种纳米纤维网络形成的涂层在外观上差别不大，在紫外光下甚至可能呈现相似的颜色，常规光谱方法检测到的信号也较为接近，但在更小的纳米尺度上，它们的纤维排列方式却完全不同。只有借助共聚焦荧光显微镜等专业设备，才能真正分辨出这些隐藏在材料内部的结构差异。换句话说，研究团队不仅做出了一层几乎看不见的透明涂层，还在其中埋入了一层肉眼无法识别、但可以被专业手段读取的“结构密码”，从而让材料具备更高层级的信息隐藏和防伪识别能力。
图3.基于重组FUS蛋白的淀粉样蛋白涂层
03、把DNA也“挂”到涂层上
如果说重组蛋白纳米纤维搭建起一个多尺度的信息框架，那么DNA负责的就是高密度的信息存储。为此，研究团队在重组蛋白涂层中加入了能够特异性结合DNA的功能模块，使DNA分子可以被稳定固定在涂层表面。这样一来，真正需要保密的信息就可以先写入DNA序列，再嵌入这层近乎透明的薄膜之中（图4）。
这些DNA并不是简单贴附在表面的“标签”，而是经过专门设计的信息分子。每条DNA序列中不仅包含真正的编码信息，还整合了后续识别、扩增和检测所需的功能区。研究中，团队将一段30个字符的文本信息先转换为二进制数据，再进一步编码成一条由128个核苷酸组成的DNA序列，从而实现了文字信息在分子层面的写入、存储和读取。这意味着，这种材料不仅能够“携带信息”，还能够在分子尺度上真正“记住一段话”。
04、先用CRISPR快检，再用测序深度解码
为了让这套系统真正具备实际应用价值，研究团队进一步解决了“如何高效读取隐藏信息”的关键问题，并设计了两级检测策略（图4）。
第一级是快速筛查。团队引入了Cas12a检测系统，只需加入与目标DNA序列相匹配的crRNA，一旦样品中存在对应序列，系统便会触发荧光信号，从而在较短时间内完成真伪判断。第二级是深度核验。
研究人员可进一步通过扩增和测序，对完整DNA序列进行读取，并将其中编码的文字信息逐步还原出来。这种设计使HIDE同时具备“快速验真”和“深度核验”两种能力：前者适用于现场快速筛查，后者则适用于高价值物品的精确身份确认。二者相结合，使分子级防伪不再停留在概念层面，而真正具备了可验证、可操作的应用潜力。
图4.基于淀粉样蛋白涂层和DNA分子的防伪体系
05、二维码、显微图案、衍射图样和DNA可以同时共存
HIDE最有意思的地方，还在于它能把不同尺度的信息整合到同一套材料体系中。研究团队结合掩膜法和PDMS软刻蚀技术，在涂层中构建了宏观二维码、微观阵列图案以及可通过激光读取的衍射图样（图5）。
例如，在玻璃表面制备的荧光二维码，在自然光下几乎不可见，但在特定激发条件下即可显现，并能被手机直接扫描；另一类微图案则可在激光照射下产生特定衍射图像。研究团队还进一步展示了“大二维码里嵌套小二维码”，以及“福”字、中国结、圣诞鹿等多种隐蔽图样。
这种多尺度信息集成策略，相当于将不同等级的信息分层存放：外层用于快速识别，中间层用于进一步验证，最深层则需要借助分子检测手段才能真正打开。由此，HIDE建立起一套层层递进、彼此独立又相互配合的验证体系。
图5.构建多尺度、多层级防伪涂层
06、从普通商品到奢侈品：一层涂层对应多级安全
为了展示应用潜力，研究团队提出了分层次的应用场景（图6）。对于药品包装、化妆品和票据等普通消费品，第一层宏观可读的图案或二维码，就足以支持快速防伪；对于珠宝等高价值物品，可叠加显微结构和衍射图样，提高伪造门槛；而对于奢侈腕表、艺术收藏品等高端场景，则可进一步加入DNA分子编码与CRISPR检测，实现更高等级的身份认证（图6）。
在示范应用中，研究团队将HIDE涂覆于腕表玻璃表面，构建了一套集四个尺度信息于一体的验证系统（图6）：手机可扫出二维码，激光可读出品牌图样，显微镜可识别纳米纤维结构，而DNA检测则可进一步读取授权日期、验证码、制造方标识和所有者姓名等信息。也就是说，一块看似普通的表面，实际上拥有一套逐级开启的“身份密码”。
图6.HIDE平台在腕表表面的应用示范
07、展望：把“安全信息”写进材料本体
从概念上看，HIDE并非是在传统防伪标签之外叠加新的识别特征，而是提出了一种将安全信息直接嵌入材料本体的新思路。该体系将宏观可见信息、微纳结构特征以及分子编码信息集成于同一可编程涂层之中，实现了不同尺度信息的协同存储与分级读取，使普通材料表面具备了跨尺度的信息承载与身份认证能力（图7）。
这一研究表明，物理信息安全可以不再依赖单一、易被复制的特征，而是通过构建多层级、相互独立且相互补充的验证体系，显著提升信息隐藏深度与防伪可靠性。展望未来，随着更多功能蛋白模块、DNA编码策略以及保护层设计的持续引入和优化，这类兼具信息存储、分级验证和环境适应性的功能化生物材料，有望在高级防伪、供应链溯源、隐蔽通信和安全标识等领域展现出更广阔的应用前景。
图7.多层级信息加密平台HIDE的应用示意图
（来源：中国科学院深圳先进院）