学术分享 I 墨水直写（DIW）3D 打印动态交联角蛋白 / 卡拉胶水凝胶流变引导可控药物递送

发布时间：2026-09-29 浏览量：分享到：

DIW 3D打印角蛋白/ι-卡拉胶动态交联水凝胶药物递送系统论文解读

一、研究背景

3D打印技术的兴起为组织工程与药物递送系统带来了革命性突破，可实现定制化、高精度的控释治疗结构。多糖与蛋白复合水凝胶因生物相容性优异、持水性高、结构可调，成为下一代药物递送载体的研究热点。

角蛋白是自然界含量最丰富的蛋白质，分子结构富含反应位点，可实现精准的大分子与药物-基质相互作用，但天然角蛋白水不溶性高，加工难度大；通过亚硫酸化改性得到的半胱氨酸-S-磺化角蛋白可溶于水，为蛋白基水凝胶墨水制备提供了可能。

ι-卡拉胶是从红藻中提取的多糖，每个二糖单元含两个硫酸基团，具有优异的凝胶性、稳定性与保湿性，广泛应用于食品与生物医学领域。二者复合可通过功能基团的强相互作用构建性能协同的杂化水凝胶，但二者协同用于DIW生物墨水的研究尚未被开发。

动态交联水凝胶（DCHs）通过二价离子的离子型凝胶作用构建可逆交联网络，在DIW打印中优势显著：挤出时交联解离、流动性好，沉积后交联重建、结构稳定。但这类屈服应力墨水的流变学调控极其精细，建立基础流变学参数与宏观打印性之间的预测关系至关重要。

本研究采用实验设计（DoE）方法，系统构建半胱氨酸-S-磺化角蛋白/ι-卡拉胶水凝胶的流变学-可打印性图谱，通过大振幅振荡剪切（LAOS）与物理过程序列（SPP）分析揭示微观流变机制，载入地塞米松（Dex）作为模型药物，阐明药物对网络的双重调控作用与释药动力学，为DIW 3D打印可控制释药水凝胶系统提供确定性的设计框架。

二、研究内容

2.1 实验设计与墨水制备

（1）实验设计（Box-Behnken DoE）

采用三因素三水平Box-Behnken实验设计（BBD），总聚合物浓度固定为8% w/v，考察三个输入因素：

Ker/ι-Car质量比：10/90、50/50、90/10
交联剂CaCl₂添加量：0、3、6 wt%（相对于总聚合物质量）
温度：25、35、45 ℃

输出响应为线性粘弹区储能模量G'_△LVR与流动屈服应力σ_f，共15组实验，含3个中心点，每组平行三次。

实验序号	标准顺序	Ker/ι-Car比例	交联剂 (%)	温度 (℃)
1	3	10/90	6	35
2	13	50/50	3	35
3	11	50/50	0	45
4	8	90/10	3	45
5	4	90/10	6	35
6	9	50/50	0	25
7	2	90/10	0	35
8	12	50/50	6	45
9	1	10/90	0	35
10	14	50/50	3	35
11	15	50/50	3	35
12	7	10/90	3	45
13	6	90/10	3	25
14	10	50/50	6	25
15	5	10/90	3	25

表1 Box-Behnken实验设计矩阵

（2）墨水制备步骤

分别配制10% w/v的角蛋白（室温溶解）与ι-卡拉胶（80℃溶解）储备液；
按比例混合两种溶液，80℃、600 rpm搅拌均匀；
逐滴加入对应浓度的CaCl₂溶液，持续搅拌确保交联均一；
载药墨水：加入0.1% w/w地塞米松水溶液，搅拌2 h后用于打印。

（3）DIW 3D打印工艺

设备：Cellink BioX生物打印机，气动挤出系统；
喷嘴：22G塑料喷嘴，内径0.4 mm；
结构：正方形网格支架，23 mm×23 mm×2.8 mm，填充率10%；
参数：打印速度5 mm/s，压力5~550 kPa按需调节；
后处理：-80℃冷冻，冷冻干燥，得到载药水凝胶支架。

2.2 流变学与可打印性图谱

基于线性粘弹储能模量G'_△LVR与流动屈服应力σ_f构建Ashby型可打印性图谱，界定四个打印性能区域：

堵塞/挤出中断区（灰色）：G'与σ_f过高，挤出压力超出设备上限，断流或堵喷嘴；
过凝胶/打印性差区（紫色）：弹性过高、屈服应力偏高，丝材粗糙、表面差，打印精度低；
最佳打印区（绿色）：2×10² Pa < G' < 1.4×10³ Pa，20 Pa < σ_f < 320 Pa，且G'/σ_f ≤ 20，丝材连续平滑、层叠稳定，打印精度Pr≈1；
凝胶不足/结构坍塌区（橙色）：力学强度不足，挤出后丝材坍塌融合，无法维持多层结构。

图1 (a) 基于线性粘弹区储能模量G'_△LVR与流动屈服应力σ_f的Ashby型可打印性图谱，标注不同配方的打印性指数Pr；(b) 不同配比交联水凝胶的SEM微观形貌。

通过响应面模型建立输入因素与输出流变参数的定量关系，模型显著性高、预测性好，可精准预测不同配方的流变参数，指导墨水优化。验证实验的预测值与实验值高度吻合，证实了图谱与模型的可靠性。

图2 响应面图，展示CaCl₂浓度与Ker/ι-Car比例对G'_△LVR和σ_f的影响规律。

2.3 大应变流变行为与微观机制

采用大振幅振荡剪切（LAOS）结合Lissajous-Bowditch（L-B）图、应变硬化/剪切稀化指数（S/T）与物理过程序列（SPP）分析，揭示不同配比与交联条件下的屈服机理。

（1）振幅扫描与屈服转变

未交联体系随角蛋白占比提升，从刚性“连接区主导”的卡拉胶网络（低应变、脆性屈服）过渡到“缠结主导”的粘弹性蛋白网络（高应变、延性屈服）。

Ca²⁺交联后，所有体系弹性增强，线性粘弹区缩小，屈服前出现应变硬化现象；交联通过离子键构建更刚性的网络，屈服表现为协同式的离子键集体断裂，而非渐进式链滑移。

图4 Ker/ι-Car水凝胶的流变性能与非线性变形行为。(a–c) 不同配比未交联与交联样品的储能/损耗模量随应变振幅变化；(d–i) 不同应变振幅下的弹性Lissajous-Bowditch图。

（2）非线性流变定量分析

所有体系高应变下均表现出应变硬化（S>0）与剪切稀化（T<0）；交联体系的非线性效应更显著，屈服前瞬时弹性快速上升，到达临界应变后集体断裂。

图5 非线性粘弹性分析。(a,b,d,e,g,h) 未交联与交联样品的弹性Lissajous图；(c,f,i) 对应体系的应变硬化指数S与剪切稀化指数T。

（3）SPP时间分辨分析

Cole-Cole轨迹显示，低应变下体系以弹性为主；随应变增大，轨迹逐渐扩张扭曲，交联体系轨迹扩张更显著，弹性储能与粘性耗散分离更明显。

定义循环内恢复损耗因子tanδ_rec，定量描述屈服后网络恢复的弹粘性平衡。结果表明：打印性越好的配方，tanδ_rec越低，恢复后弹性占比越高，沉积后形状保持能力越强。

图6 不同应变振幅下的时间分辨Cole-Cole轨迹（G'_t vs G''_t）。(a–c) 未交联体系；(d–f) Ca²⁺交联体系。

流变-打印关联： G'_LVR决定静态强度，σ_f决定流动阈值，tanδ_rec反映沉积后恢复能力，三者共同决定DIW墨水的打印精度与结构保真度。

2.4 载药对流变性能的调控作用

地塞米松（Dex）载入后对水凝胶流变产生双向调控，取决于交联密度：

高交联密度（6% Ca²⁺）：Dex作为界面滑动剂，降低链间摩擦，使体系更具延性，屈服过渡更平缓；
低交联/无交联：Dex通过氢键充当次级物理交联剂，增强网络弹性，提高屈服应力，甚至使部分配方从可打印区移入不可打印区。

图7 未载药与载药水凝胶的可打印性图谱对比，展示Dex载入后配方在图谱中的位置迁移。

图8 典型配方载药前后的流变性能对比。(a–c) 振幅扫描；(b,e,h) 屈服区弹性L-B图；(c,f,i) 流动区弹性L-B图。

2.5 分子相互作用与结构表征

通过FTIR与XRD阐明Ca²⁺交联与Dex载入的分子机制：

（1）Ca²⁺交联机制

Ca²⁺与角蛋白酰胺基、侧链羧基配位，同时与卡拉胶硫酸基团形成离子桥，构建分子间交联网络；
诱导角蛋白α-螺旋部分解折叠，β-折叠链段重排、紧密堆积，形成长程有序结晶β-片层结构，宏观表现为网络压缩与强度提升。

（2）地塞米松作用机制

主要通过超分子氢键与聚合物极性基团结合，而非静电作用；
在高交联网络中，Dex被排阻在宏观域界面，起润滑作用；在低交联网络中，Dex可桥接相邻链，充当动态物理交联点。

图3 交联机制、大应变网络演化与药物-基质相互作用示意图。(a) Ca²⁺介导的配位交联机制；(b) 大振幅剪切下的四阶段网络演化；(c) 地塞米松的双重调控作用。

图9 ATR-FTIR光谱分析。(a) 不同配比未交联/交联水凝胶及载药水凝胶的全谱；(b,c) 特征区域归一化谱图，揭示分子间相互作用。

2.6 溶胀与水合动力学

6% Ca²⁺交联体系在PBS（pH 7.4、37℃）中的溶胀行为：

平衡溶胀度随卡拉胶占比升高而增大，卡拉胶丰富的负电硫酸基团产生静电排斥，撑开网络，吸水能力强；
Ker/ι-Car 10/90平衡溶胀度最高（26.11倍），约为90/10配方的2.5倍；
溶胀动力学符合Schott二级动力学模型，50/50配比因两相互穿网络致密，溶胀速率最慢。

样品	平衡溶胀度S_∞	二级速率常数k_s (min⁻¹)	初始溶胀速率r₀ (min⁻¹)	扩散指数n
Std3 (10/90)	26.11 ± 1.21	0.17 ± 0.02	24.57 ± 1.96	0.32 ± 0.07
Std10 (50/50)	12.85 ± 0.97	0.02 ± 0.01	3.08 ± 0.74	0.52 ± 0.05
Std4 (90/10)	10.87 ± 1.09	0.10 ± 0.03	11.38 ± 1.13	0.10 ± 0.02

表3 溶胀动力学参数（Schott与Korsmeyer-Peppas模型拟合）

2.7 药物释放动力学与机制

地塞米松释放实验在PBS（37℃）中进行，所有配方1400 min内药物完全释放，前20 min释放速率差异显著。

通过Korsmeyer-Peppas与Peppas-Sahlin模型拟合，揭示两种不同释药机制：

未交联/低交联体系：n=0.7~0.86，反常（非费克）扩散，由Fickian扩散与聚合物链松弛共同驱动，扩散贡献占主导；
高交联体系（6% Ca²⁺）：n>1，扩散贡献趋近于0，为松弛主导的Super Case II机制，释药完全由聚合物网络松弛、解缠结与基质溶蚀控制。

交联密度提升抑制了自由扩散，使释药机制从扩散主导转向松弛主导；通过调节聚合物配比与交联度，可精准调控释药速率。

图10 不同配方载药水凝胶的地塞米松释放曲线，内插图为前30 min释放放大图。

样品	Korsmeyer-Peppas模型			Peppas-Sahlin模型			推断机制
样品	k_KP (min⁻ⁿ)	n	R²	k₁ (min⁻⁰·⁵)	k₂ (min⁻¹)	R²	推断机制
Std2D	0.76 ± 0.06	0.86 ± 0.02	0.998	0.8 ± 0.2	0.33 ± 0.02	0.997	反常扩散
Std12D	0.11 ± 0.02	1.32 ± 0.05	0.996	0	0.7 ± 0.2	0.94	松弛/溶蚀主导
Std11D	1.3 ± 0.7	0.7 ± 0.1	0.916	1.9 ± 0.8	0.14 ± 0.07	0.901	反常扩散
Std8D	0.20 ± 0.08	1.4 ± 0.1	0.992	0	1.0 ± 0.3	0.91	松弛/溶蚀主导

表4 药物释放动力学参数与机制

三、研究结论

1. 可打印性预测框架：建立了Ker/ι-Car水凝胶的流变-可打印性Ashby图谱，确定最佳打印区间与临界边界，结合DoE响应面可精准预测配方的打印性能，为DIW水凝胶墨水设计提供系统化工具。

2. 流变微观机制：未交联体系随角蛋白占比从脆性屈服向延性屈服转变；Ca²⁺离子交联构建协同断裂网络，屈服前应变硬化、屈服后集体坍塌；循环内恢复损耗因子tanδ_rec可作为打印保真度的评价指标。

3. 药物双重调控：地塞米松具有双重功能：高交联网络中作为界面滑动剂改善延展性；低交联网络中作为氢键交联剂增强弹性，从分子层面解释了载药对宏观流变的影响。

4. 释药机制转变：离子交联使药物释放从反常扩散转向完全由聚合物松弛主导的Super Case II机制，可通过交联度与聚合物配比精准调控释药动力学。

5. 应用价值：该流变引导的设计方法可推广至其他蛋白-多糖动态交联水凝胶体系，为DIW 3D打印定制化控释药物递送系统提供可复制的优化路径。

四、论文基本信息

英文标题：Rheology-guided experimental design of dynamically crosslinked keratin/ι-carrageenan hydrogels as potential drug delivery systems

作者：Costanza Fratini, Mattia Tiboni, Itxaso Calafel, Mercedes Fernández, Robert Aguirresarobe, Annalisa Aluigi*, Luca Casettari

单位：意大利乌尔比诺大学生物分子科学系药学院；西班牙巴斯克大学高分子与先进材料系POLYMAT

发表期刊：Carbohydrate Polymers 2026, 391, 125842

DOI：10.1016/j.carbpol.2026.125842

直写式（DIW）3D打印机功能应用分析

全面解析森工DIW墨水直写3D打印机在该类研究中功能匹配情况及需定制功能，帮助用户更好地选择合适的3D打印设备及功能模块。

该研究中涉及的3D打印策略

一、森工可匹配模块:

常温气动打印模块：
1.配备精密的调压模块，调压精度±1KP；
2.打印过程中可压力实时可调；
3.配套软件数字化参数设定；
可将地塞米松动载药态交联角蛋白卡拉胶水凝胶材料按照测试要求（0.4mm内径喷嘴，打印速度5 mm/s，压力5~550 kPa按需调节，正方形网格支架，23 mm×23 mm×2.8 mm，填充率10%）实现精准打印，可通过调整挤出压力和打印头速度，精准控制丝径和孔隙尺寸，实现可编程的结构设计。

小编对该类研究的拓展设想

一、拓展思路：
多通道气动打印模块：
1.实现不同配方载药水凝胶，在相同打印打印代码参数情况快速验证样机支架成型情况，缩短制备周期
2.在相同配方载药水凝胶打印代码前提下调整多维度参数（喷嘴直径，打印速度，挤出压力），实现快速验证样机支架成型情况，缩短制备周期

二、涉及模块介绍：
多通道气动打印模块：
1.配备精密的调压模块，调压精度±1KP；
2.对每个通道实现独立精准控压；
3.打印过程中可压力实时可调；
4.通道打印可实现不同打印路径规划；
5.配套软件数字化参数设定；

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