脂質(zhì)穩(wěn)定液液界面在生物材料3D打印中的應(yīng)用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液液界面穩(wěn)定策略對推進(jìn)各類應(yīng)用至關(guān)重要，然而當(dāng)前液液3D打印技術(shù)中，高濃度表面活性劑的使用及油酸浴相的酸性特質(zhì)，致使材料生物相容性存疑，嚴(yán)重制約其在組織工程和藥物輸送等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。來自美國密蘇里大學(xué)堪薩斯城分校的Zahra Niroobakhsh教授團(tuán)隊(duì)合作開展研究，開發(fā)出一種基于脂質(zhì)自組裝的生物相容性原位形成材料，借助脂質(zhì)在水-油界面自組裝形成納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了液液3D打印中液體的可控結(jié)構(gòu)化。該團(tuán)隊(duì)利用此材料體系制備出纖維、基底和微針貼片等復(fù)雜3D構(gòu)造，經(jīng)測試，這些構(gòu)造展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能與生物相容性。相關(guān)工作以“Application of lipid-stabilized liquid-liquid interfaces in 3D printing of biomaterials”為題發(fā)表在《Journal of Colloid and Interface Science》上。

研究內(nèi)容
通過設(shè)計(jì)打印流程和構(gòu)造模型的方法，研究了脂質(zhì)水凝膠在液液3D打印中的成型過程，包括纖維、基底和微針貼片的制備。結(jié)果表明，該技術(shù)能成功構(gòu)建復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)，可用于拉伸測試、細(xì)胞活性檢測及藥物輸送等場景。

圖 1. 液液3D打印脂質(zhì)水凝膠構(gòu)造示意圖

通過繪制制備流程、UV固化步驟和實(shí)物圖像的方法，研究了微針貼片的打印工藝。結(jié)果表明，倒置打印法能有效提升微針的形狀保真度，避免基底鼓包，且打印材料在液態(tài)下可減少細(xì)胞損傷。

圖 2. 3D打印過程及微針結(jié)構(gòu)示意圖

通過定時(shí)觀察和厚度測量的方法，研究了蓖麻油與大豆PC溶液界面的凝膠化過程。結(jié)果表明，界面處形成三層結(jié)構(gòu)（大豆PC富集層、界面凝膠層、蓖麻油富集層），凝膠厚度和大豆PC轉(zhuǎn)移量隨時(shí)間增加，證實(shí)脂質(zhì)自組裝驅(qū)動(dòng)凝膠形成。

圖 3. 界面凝膠形成及生長過程圖

通過繪制相圖和小角X射線散射測量的方法，研究了不同蓖麻油與大豆PC摩爾比的平衡脂質(zhì)凝膠。結(jié)果表明，高摩爾比樣品呈現(xiàn)層狀納米結(jié)構(gòu)，域間距隨蓖麻油含量增加而減小，證實(shí)脂質(zhì)自組裝形成有序結(jié)構(gòu)。

圖 4. 三元相圖及SAXS表征結(jié)果

通過小角X射線散射和流變測試的方法，研究了界面分離的三層材料（Lpc、Linterface、Lco）。結(jié)果表明，Lpc和Linterface為層狀結(jié)構(gòu)，Lco為六邊形結(jié)構(gòu)，所有層均表現(xiàn)出剪切稀化特性，與平衡脂質(zhì)凝膠機(jī)械性能相似。

圖 5. 界面材料SAXS與流變學(xué)分析圖

通過小角X射線散射和掃描電鏡觀察的方法，研究了不同大豆PC組成的打印纖維。結(jié)果表明，纖維形成立方（a=8.5 nm）或六邊形（a=4.9 nm, c=10.4 nm）納米結(jié)構(gòu)，表面均勻多孔，平均孔徑1.88 μm。

圖 6. 打印纖維的SAXS與SEM圖像

通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的方法，研究了不同PEGDA含量的纖維機(jī)械性能。結(jié)果表明，PEGDA含量越高，纖維的楊氏模量、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率越高，其中Soy PC 4的楊氏模量達(dá)30.5 kPa。

圖 7. 打印纖維拉伸測試結(jié)果圖

通過活/死染色和細(xì)胞計(jì)數(shù)的方法，研究了Soy PC 1和4樣品的細(xì)胞毒性。結(jié)果表明，兩種樣品的細(xì)胞存活率均超過80%，與對照組無顯著差異，證實(shí)材料無毒性，但PEGDA表面缺乏細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)，直接接觸時(shí)細(xì)胞黏附性低。

圖 8. 細(xì)胞活性檢測結(jié)果圖

研究結(jié)論
本研究開發(fā)了一種利用脂質(zhì)自組裝穩(wěn)定液液界面的生物相容性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液液3D打印復(fù)雜構(gòu)造。小角X射線散射證實(shí)，打印纖維形成立方（晶胞參數(shù)a=8.5 nm）和六邊形（晶格常數(shù)a=4.9 nm、c=10.4 nm）納米結(jié)構(gòu)，界面材料和平衡脂質(zhì)凝膠中存在層狀（d≈2.3 nm）和六邊形（a≈3.3 nm） domains。流變學(xué)顯示平衡凝膠和界面層呈固態(tài)粘彈性（G'>G''）且具剪切稀化特性。機(jī)械測試表明，PEGDA含量越高，纖維楊氏模量越高（從5.4 kPa到30.5 kPa）。細(xì)胞活性測試顯示 constructs 存活率超80%，且成功制備微針貼片，展現(xiàn)其在藥物輸送和生物制造中的應(yīng)用潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138111