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不相容的聚合物-聚合物、聚合物-盐或盐-盐对在水中混合形成的双相系统，即水性两相系统（ATPSs），由于其优异的生物相容性和无毒性，已成为生物分离、生物打印、生物和微胶囊化等各种应用的多功能平台。常用的 ATPS 由超过一定阈值浓度的聚乙二醇（PEG）和右旋糖酐（Dex）的不溶水溶液组成，这一点已得到广泛研究。然而，ATPSs 的液态性质对其直接3D打印以构建复杂结构而无需交联和聚合等后处理方法提出了挑战。近年来，人们开始广泛关注利用纳米材料在水-水界面上的界面组装来机械地稳定 ATPS，以便进行3D打印。在原位形成界面复合物方面取得了令人鼓舞的进展，包括利用组装对之间的强静电相互作用（EIs）形成的聚阴离子-多阳离子[聚电解质（PE）-PE]复合物、聚乙烯-纳米粒子（NP）复合物和 NP-表面活性剂复合物。然而，要利用界面组装方法实现功能性3D结构，包括控制渗透性和结构完整性，仍然存在重大挑战。

来自香港城市大学的柴愚团队提出了一种在水环境中构建可重构3D打印结构的独特方法。受生物系统的启发，本研究引入了特异性和非特异性相互作用，将功能化纳米粒子锚定在水-水界面上，从而为3D打印液体结构赋予了结构完整性和渗透性的双重自适应锁。利用最先进的原位液-液界面原子力显微镜成像技术，成功地展示了在 ATPS 界面形成的各种形态的界面薄膜。此外，通过在系统中加入 d-葡萄糖或海藻酸钠，可以轻松地操纵双锁。本研究为3D打印具有可控结构和渗透性的多反应全水性系统铺平了道路，为开发智能给药系统和体内反应带来了广阔的前景。相关工作以题为“Reconfigurable aqueous 3D printing with adaptive dual locks”的文章发表在2024年04月24日的国际顶级期刊《Science Advances》。

1. 创新型研究内容

在生物系统中，特异性和非特异性结合相互作用共同决定了生物实体的结构和功能。受自然界的启发，本研究提出了一种不同寻常的3D ATPS 打印策略，即通过功能化 NPs 的双响应界面组装进行打印。通过为3D打印的全水构造物配备双锁，将其功能性（特别是渗透性）与结构完整性解耦，同时还对水-水界面上的 NP 组装进行了原位原子力显微镜（AFM）成像。本研究合成并使用了两种不同类型的功能化 NPs：β-环糊精（βCD）功能化金 NPs（βCD-AuNPs）和羧基二氧化硅（SiO2）NPs。这些 NPs 与带正电荷的偶氮苯基离子液体（Azo-ILs）相互作用，并通过主客体相互作用（HGIs）或 EIs 在水-水界面上组装。通过主客体识别的特异性结合，可以通过不同的光子照射精确控制跨表面扩散。同时，EIs 的非特异性结合可调节打印结构的机械完整性。通过引入特定的外部刺激，如紫外线（UV）照射和酸添加，3D打印的 ATPS 结构表现出可控的界面渗透性和可调的结构完整性。基于 ATPS 的3D打印结合了这种可操控的双锁机制，还可作为氧化还原反应控制器，在智能药物输送系统和体内化学与生物反应等多个新兴领域展现出巨大的潜力。

【ATPS 中的可重构3D打印技术】

为创建水-水界面，使用了广泛研究过的由含 PEG [15 重量 %] 和 Dex (20 重量 %) 的水溶液组成的 ATPS。首先，尝试利用 βCD-AuNPs 和 Azo-ILs 之间的光学门控 HGI 来证明3D打印 ATPS 的可行性。这样，就能通过自适应单锁3D打印出具有光致伸缩性和可重构性的水包水结构。如图 1A 所示，3D打印结构展示了 βCD-AuNPs 和 Azo-ILs 的界面组装。如图 1B 所示，本研究使用的 βCD-AuNPs 平均直径约为 6.5 纳米。偶氮-IL，特别是 4-(4-((4-乙基苯基)偶氮)苯氧基)-N-(2-羟乙基)-N,N-二甲基溴化乙铵（[C2AzoC4DMEA]Br）带有正电荷。图 1C 显示了偶氮-IL 在紫外光照射前后的紫外可见光谱，有效地证明了偶氮-IL 的异构化转变及其显著的光响应性。

图1 通过分子识别实现单锁全水3D打印

为实现ATPS的3D打印，本研究使用了市售的3D打印机。用于打印的墨水由含有 0.1 wt % βCD-AuNPs 的 Dex 水溶液组成，称为水性墨水。另一方面，水性基质由含有 0.1 wt % Azo-ILs 的 PEG 水溶液组成。为确保打印结构的稳定性，水性油墨以 350 μl·min-1 的流速通过孔径为 0.91 毫米的打印喷嘴注入系统。油墨沉积到水性基质中，同时保持 2 mm·s-1 的恒定移动速度。通过实施这一方案，本研究成功打印出了各种形状，包括紧凑和松散的螺旋形、心形和花朵（图 2G）。这些全水性结构证明了基于 ATPS 的3D打印的多功能性和可行性，即通过 HGI 能够将 βCD-AuNPs 和 Azo-ILs 复合物进行界面组装。

机械稳定性是3D打印水包水结构的一个关键参数。因此，本研究试图阐明3D打印水性结构的形状变化与界面活性物质浓度之间的关系，以及光子调控界面组装如何控制打印结构的机械完整性。在实验中，将水性油墨中βCD-AuNPs的浓度从0.1 wt %调整到0.5 wt %，并将Azo-ILs的浓度固定为0.1 wt %。相比之下，还使用了不含 Azo-ILs 的纯水基质。图 2A 至 D显示了正方形3D打印 ATPS 的快照。所有打印结构都在可见光下暴露 90 分钟，然后再用紫外线照射 30 分钟。从快照中可以明显看出，在可见光下约 30 分钟，所有3D打印的正方形液体都逐渐演变成球形。结果表明，βCD-AuNPs 无法完全卡住液体界面并机械锁定打印结构。相反，在有 Azo-ILs 存在的情况下，在 90 分钟的实验时间窗口内，无论 βCD-AuNPs 的浓度如何，3D打印液体结构都能保持其形状。最后，在紫外线下暴露 30 分钟后，所有打印出的3D结构都失去了机械完整性，即使有 Azo-ILs 存在，这表明界面组装的 βCD-AuNPs 已经破裂。在紫外线照射下，Azo-ILO 发生了反式-顺式转变，失去了 βCD-AuNPs 与 Azo-ILs 之间的特异性相互作用。

图2 3D打印结构体在全水体系中的光敏性

【单锁 3D 打印结构】

βCD-AuNPs的光致伸缩性界面组装不仅为3D打印的ATPS结构提供了结构完整性，还有效地控制了两个水相之间的分子扩散。为探究打印水包水结构中的跨界面扩散，使用了水溶性染料罗丹明 B（RB）作为示踪剂（图 3A）。如图 3B 所示，在没有 Azo-ILs 的情况下，随着3D打印 ATPS 结构的结构完整性逐渐瓦解，RB 会从打印结构扩散到周围的水基质中，不受可见光或紫外线照射的影响。与此相反，在有 Azo-ILs 的情况下，打印结构保持其形状，但 RB 扩散缓慢，这表明界面组装的 βCD-AuNPs 很好地阻挡了 RB 扩散（图 3C）。进一步紫外线照射后，这些结构会完全坍塌，从而导致 RB 的明显扩散。为了量化 RB 从打印的 Dex 相向周围 PEG 相的扩散，本研究测量了不同时间点的紫外可见光谱。归一化的|Absorbance|用于量化周围水基质中的 RB 分子浓度。在这两种情况下，最终的|Absorbance|值表明 RB 分子在周围水基质中的最终浓度相同且完全扩散（图 3D）。

图3 展示药物从 3D 打印的 ATPS 结构中扩散的情况，同时锁定结构的完整性和渗透性

【带有自适应双锁的 3D 打印结构体】

在偶氮染料的存在下，客体-宿主相互作用能有效地将βCD-AuNPs锚定在水-水界面上，从而使3D打印的ATPS结构既具有结构完整性，又能通过外部光照射控制渗透性。本研究称这些结构为“单锁”结构。因此，本研究试图探索水3D打印结构分别控制结构完整性和渗透性的可能性。为此，引入了一种额外的相互作用，这种相互作用也会影响界面组装。生物系统既有特异性相互作用，也有非特异性相互作用，受此启发，采用非特异性相互作用来控制界面组装。为此，在水性油墨中加入了 SiO2 NPs。如图 4A 所示，SiO2 NPs 和 βCD-AuNPs 都能通过与 Azo-ILs 的不同相互作用（前者为非特异性 EI，后者为特异性 HGI）在水-水界面上组装。用原子力显微镜和 zeta 电位分析仪对二氧化硅 NPs 进行表征后发现，其平均直径约为 30 纳米（图 4B），与动态光散射（图 S8）得到的数值一致，而且表面带负电荷（图 4C），平均 zeta 电位为 -49.2 mV。高电负性保证了颗粒在水溶液中的稳定分散以及 NPs 与 Azo-IL 分子之间的强 EI。

图4 通过特异性和非特异性相互作用实现双重锁定的全水性 3D 打印技术

为探索配备双锁的 3D 打印 ATPS 结构的性能，本研究进行了与之前讨论的单锁情况类似的实验。图 5A 至 C显示了3D打印结构在不同时间暴露于不同外部刺激下的快照：可见光，其次是紫外线，最后是添加了酸的紫外线。首先测试了3D打印结构在不同刺激下的结构完整性。如图 5A 所示，3D打印结构在可见光和紫外线照射下都能保持其完整性和形状，只有在添加酸后才会破裂。这种在紫外线照射下增强的结构完整性是由二氧化硅 NPs 与偶氮染料中的季胺（N+）基团之间的 EI 所决定的。

还研究了形状和渗透性的双重锁定（图 5B 和 C）。在 PEG 相中没有 Azo-ILs 的情况下，3D 打印结构会逐渐塌陷成液滴，从而允许 Dex 相中的 RB 分子自由扩散到 PEG 溶液中。刺激物（可见光、紫外线和酸）的变化不会影响形状保持或 RB 扩散。然而，在含有偶氮染料的 PEG 溶液中进行紫外线照射时，构建体仍能保持打印形状，但在进一步添加酸后会发生变化。这是因为酸会质化 SiO2 NPs 的羧酸基团，降低其电负性，导致 SiO2 NPs 和 Azo-IL 之间的 EI 破裂。由于紫外线或酸处理会破坏界面 NP 组装，促进 RB 从 Dex 相扩散到 PEG 相，因此 RB 扩散会加深 PEG 相的红色。使用另一种候选药物胭脂红进行上述实验，也发现了类似的结果，显示了双锁机制的多功能性。简而言之，通过 HGIs 和 EIs 的混合 NPs 共组装生成了具有结构完整性和渗透性双锁的打印构建体，但只有在紫外线照射下才会转换为由 EIs 启用的结构完整性单锁构建体，最后在进一步添加酸后坍塌，没有锁残留（图 5D）。

图5 具有结构完整性和 ATPS 渗透性双重锁定功能的 3D 打印结构

【双锁控制氧化还原反应和操纵双锁】

为展示具有结构完整性和渗透性双重锁定功能的 ATPS 的更多潜在应用，本研究利用所提出的双重锁定机制，演示了 Dex 相中的靛蓝胭脂红（IC）与碱性 PEG 相中的 d-葡萄糖（DG）之间的氧化还原反应的受控过程，如图 6A 至 E所示。作为氧化还原指示剂，IC 会被 DG 还原，随着时间的推移，颜色会从深绿色变为红色，然后变为黄色，这反映了逐渐还原的过程。这种变化在 IC 溶液的紫外可见光谱中也很明显（图 6C）。以这种氧化还原反应为模型，将含有 IC（1 mg ml-1）的 Dex 油墨打印到溶解了 DG（5 mg ml-1）和 NaOH（3 mg ml-1）的 PEG 基质中。在可见光下，打印构建体的深绿色慢慢变成红色，在紫外线照射下变成橙色，然后变成黄色，最后在进一步加酸后褪去（图 6B）。在加酸之前，该结构一直保持良好。与不含偶氮染料的 PEG 相中构建体在 30 分钟内从深蓝色迅速变为黄色相比（图 6A），很明显氧化还原反应被组装界面中止或减速，并在紫外线和酸刺激下加速。

为了在微观上进一步验证这一点，本研究测量了在不同刺激条件下，无 Azo-ILs 或有 Azo-ILs 的基本 DG 溶解 PEG 相与含有混合 NPs 和 IC 的 Dex 相接触后的随时间变化的紫外可见光谱（图 6D 和 E）。光谱随时间变化，在没有或含有 Azo-ILs 的情况下，PEG 相在 ~440 和 560 nm 波长处的吸光度呈此消彼长的关系。为更好地说明它们之间的区别，提取了 560 纳米波长处一个特征峰的吸光度，并绘制了曲线，分别插入图 6D 和 E。在没有偶氮染料-ILs 的情况下，吸光度在开始时明显上升，然后在可见光下下降，但在紫外线照射下又重新上升，随后再次出现下降趋势，呈现出 “M 型”曲线。这种 M 型曲线的形成可能是由于 IC 在 PEG 相中的扩散与 IC 的还原之间存在竞争。然而，在含有偶氮-ILs 的情况下，吸光度在可见光条件下几乎没有变化，但在紫外光照射下会明显上升，然后下降，在进一步添加酸后会出现重新上升-重新下降的趋势。紫外线和酸分别导致吸光度增加两倍，表明“渗透”锁的开关被激活。

图6 通过3D打印双锁结构实现受控氧化还原反应的演示，以及在 ATPS 中操纵双锁机制

2. 总结与展望

总之，通过利用 βCD-AuNPs 和 Azo-ILs 之间的 HGI，本研究实现了水-水界面上的光致伸缩性 NPS。3D打印结构的结构完整性和渗透性可通过紫外线照射进行同步控制。将羧基化的 SiO2 NPs 与 βCD-AuNPs 进一步混合可提供另一种操纵界面的方法，从而对构建体的结构完整性和渗透性进行异步控制，并明显增加药物扩散的三个步骤。同时，原位原子力显微镜图像揭示了 NPs 和 Azo-ILs 组装后卡住界面的真实形态。此外，双锁 ATPS 还可以作为氧化还原反应控制器来调节反应过程。通过在系统中加入 DG 或 SA，可以轻松地操纵双锁。这项研究为在水-水界面上构建具有形状保持和渗透性双锁的多反应性 NP 表面活性剂铺平了可行的道路，为流体系统中的全液体装置，尤其是药物释放和递送装置带来了广阔的应用前景。所提出的系统具有很好的生物相容性和无毒性，是封装药物并将其可控地释放到所需生物器官的潜在候选材料。

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