内源生化逻辑编程的自主水凝胶执行器实现双阶段形变与药物释放
Liu, Potthuri, Sosnik, Khoury | Advanced Materials 2026 | DOI: 10.1002/adma.202516809
标签: #水凝胶执行器 #DLP 3D打印 #胃响应药物递送 #BSA-PEGDA #Cellink BIONOVA X #生物力学
| 项目 | 信息 |
|---|---|
| 通讯作者 | Luai R. Khoury (以色列理工Technion材料科学与工程系) |
| 机构 | Technion Israel Institute of Technology |
| 关键技术 | BSA-PEGDA杂化水凝胶、DLP 3D打印双层结构、酸诱导膨胀+酶降解双阶段形变、胃蛋白酶门控药物释放 |
| 使用设备 | Cellink BIONOVA X DLP 3D生物打印机（405 nm光源，12 mW/cm²，层厚50 μm） |
| 核心发现 | 胃酸(pH~2)触发BSA构象变化→快速膨胀弯曲；胃蛋白酶降解→软化→弹性恢复，全程自主完成无需人工干预 |
一、做什么 🔬
核心问题
现有软体执行器（光/热/电/磁响应）依赖外部刺激，无法在体内生理环境中自主、多阶段响应。活体生物运动（如蜜蜂蜇刺）是自主的、多阶段的——精准定位→主动穿透→毒素注入→快速脱离，但人造执行器远未达到这种水平。
解决方案
开发了一种胃液响应自主双阶段形变水凝胶执行器：
- BSA-PEGDA杂化生物墨水：牛血清白蛋白(BSA)与PEGDA通过aza-Michael反应共价偶联，保留BSA的酸诱导构象变化和酶降解敏感性
- 双层DLP 3D打印结构：活性层(BSA-PEGDA) + 惰性层(PEGDA)，界面共价键合
- 双阶段自主形变机制：
- 阶段一（酸性触发）：胃酸pH~2 → BSA构象展开 → BSA-PEGDA层快速膨胀 → 双层膨胀不匹配 → 弯曲
- 阶段二（酶促恢复）：胃蛋白酶降解BSA → BSA-PEGDA层软化 → 弹性PEGDA层驱动恢复原始形状
- 酶门控药物释放：DOX（阿霉素）非共价嵌入BSA-PEGDA网络，胃蛋白酶降解锁定释放
技术路线
| 步骤 | 方法 | 关键参数 |
|---|---|---|
| BSA-PEGDA合成 | aza-Michael加成反应 | BSA赖氨酸残基 + PEGDA丙烯酸酯 |
| 生物墨水配方 | BSA-PEGDA + LAP光引发剂 + 酒石黄 | BSA-PEGDA:LAP:酒石黄 = 24:6:1 |
| 3D打印 | Cellink BIONOVA X DLP | 405 nm, 12 mW/cm², 层厚50 μm |
| 双层打印 | 多材料DLP | BSA-PEGDA层0.3 mm + PEGDA层0.3 mm |
| 模拟胃液测试 | SGF (胃蛋白酶0.5/1/2 mg/mL, pH~2) | 37°C, 4h |
二、发现什么 📊
配图 📸
图1：(a)BSA分子共价嵌入PEGDA网络。中性环境中BSA保持球状构象(i)；酸性条件下BSA部分展开导致快速膨胀(ii)；胃蛋白酶逐渐降解BSA导致网络软化和孔扩张(iii)。(b)BSA-PEGDA通过aza-Michael反应合成，加入LAP和酒石黄制成光固化生物墨水，在Cellink BIONOVA X DLP打印机上打印出空心C60、支架和螺旋结构。
| 做了什么 | 合成BSA-PEGDA共价偶联物，优化生物墨水配方（加入酒石黄光吸收剂控制光散射），在Cellink BIONOVA X DLP打印机上打印复杂3D结构 |
| 发现什么 | 加入2% (w/v)酒石黄显著减少了非目标区域的过固化，使空心C60、支架和螺旋结构打印精度大幅提升；BSA-PEGDA:LAP:酒石黄=24:6:1为最优配方 |
| 说明什么 | BSA不仅提供生物响应性，还通过共价相互作用引导PEGDA链有序排列，使水凝胶网络比纯PEGDA更均匀致密。酒石黄是DLP打印高分辨率BSA杂化水凝胶的关键添加剂 |
图2：(a)膨胀率：HCl中2h达平衡，SGF中胃蛋白酶浓度越高初期膨胀越低但4h后最高。(b)压缩模量：TRIS中稳定~110 kPa，HCl中降至~65 kPa，SGF中降至~10 kPa。(c)ATR-FTIR显示酰胺I/II峰在SGF中消失，ANS荧光减弱证实BSA降解。(d)SDS-PAGE显示BSA片段随时间累积释放。(e)Cryo-SEM显示SGF处理后孔径从~50 nm增至~300 nm。(f)HT29-MTX细胞7天存活率>80%。
| 做了什么 | 将3D打印BSA-PEGDA水凝胶在TRIS(pH 7.4)、HCl(pH~2)和模拟胃液(SGF，胃蛋白酶0.5/1/2 mg/mL, pH~2)中37°C培养4h，测试膨胀率、压缩模量、ATR-FTIR、SDS-PAGE、cryo-SEM和细胞毒性 |
| 发现什么 | HCl中膨胀率2h达平衡（BSA构象展开吸水），SGF中初期膨胀被胃蛋白酶抑制（降解BSA减少吸水）但4h后因网络侵蚀反而最高；压缩模量从110 kPa在SGF中降至~10 kPa（酸+酶协同软化）；SDS-PAGE显示BSA片段从水凝胶中缓慢累积释放（非瞬时降解，因为BSA被空间限制在网络内）；cryo-SEM孔径从~50 nm增至~300 nm；HT29-MTX细胞7天存活率>80% |
| 说明什么 | 酸性膨胀和酶促降解是两个独立的物理过程——酸性导致瞬时构象变化（膨胀），酶导致渐进式网络破坏（软化）。BSA在凝胶网络中的空间保护使其降解速率远低于溶液中的游离BSA，这为"时间编程"提供了物理基础 |
图3：(a)双层执行器示意图：BSA-PEGDA活性层(i) + PEGDA惰性层。酸性条件下BSA-PEGDA层膨胀→弯曲(ii)；胃蛋白酶降解BSA→软化→PEGDA弹性恢复(iii)。(b,c)不同胃蛋白酶浓度下的形变曲线：0.5 mg/mL时θmax~300°，2 mg/mL时θmax~180°，恢复时间从120 min缩短到90 min。(d)PepA（胃蛋白酶抑制剂）浓度依赖性调控恢复时间：0 μM时120 min恢复，30 μM时24 h仍保持弯曲。(e,f)离体猪胃液(PGF)中的形变行为。
| 做了什么 | 3D打印BSA-PEGDA/PEGDA双层水凝胶（每层0.3 mm），在不同浓度胃蛋白酶SGF中观察自主形变，用胃蛋白酶抑制剂PepA调控恢复速率，在离体猪胃液中验证 |
| 发现什么 | 双层执行器在SGF中20 min内快速弯曲（θmax=180-300°取决于胃蛋白酶浓度），随后逐渐恢复：0.5 mg/mL组90 min开环、4 h仍未完全恢复；1 mg/mL组60 min开环、120 min恢复直线；2 mg/mL组40 min开环、90 min恢复。加入PepA后恢复时间显著延长：15 μM→180 min，20 μM→600 min，30 μM→24 h仍保持弯曲(θmax~330°) |
| 说明什么 | 这是本文核心创新——通过内源性生化信号（胃酸+胃蛋白酶）实现完全自主的双阶段形变，无需任何外部刺激。胃蛋白酶浓度决定了"弯曲→恢复"的时间编程，PepA作为生化"刹车"可以精确调控恢复速率。这相当于给执行器编写了一套"生化逻辑门" |
图1→图2的逻辑：先确立BSA-PEGDA材料的基本响应特性（酸膨胀+酶软化），这是双层执行器的物理基础。
图2→图3的逻辑：单一水凝胶只有膨胀/软化，没有形变。加入惰性PEGDA层后，膨胀不匹配产生弯曲力，软化后弹性恢复——这就实现了"弯曲→恢复"的双阶段自主运动。
图4：(a)不同初始形状的执行器在SGF中的形变序列。(b)微针修饰夹持器的自主"抓取-释放"行为：在胃液中弯曲抓取物体，软化后释放。(c)粘液模拟层上的粘附-释放测试。(d)夹持器在真实猪胃液中的功能验证。
| 做了什么 | 打印多种几何形状的执行器（条形、螺旋、花朵形）和带微针的夹持器，在SGF和离体猪胃液中测试自主抓取-释放和粘液粘附行为 |
| 发现什么 | 不同初始形状产生不同的形变模式——条形弯曲成环、螺旋收缩、花朵闭合。微针夹持器在SGF中自动弯曲闭合抓取小球或粘液层，随着BSA-PEGDA层软化，夹持器逐渐张开释放物体。在离体猪胃液中也成功演示了抓取-释放 |
| 说明什么 | 通过几何设计可以"编程"不同的形变行为，微针提供了组织粘附能力。这证明了该系统不仅可以做简单的弯曲，还能执行更复杂的"定位→抓取→释放"任务，向真正的体内软体机器人迈出了一步 |
图5：(a)DOX通过静电作用/氢键/疏水相互作用非共价嵌入BSA-PEGDA网络。(b)SGF中DOX释放曲线：胃蛋白酶浓度越高释放越快。(c)PepA调控释放速率。(d)夹持器载药后的"抓取-释放-递送"全流程演示。
| 做了什么 | 将抗癌药物DOX通过非共价相互作用（静电吸引、氢键、疏水作用）嵌入BSA-PEGDA水凝胶，打印载药夹持器，在SGF中测试药物释放动力学，用PepA调控释放速率 |
| 发现什么 | DOX释放速率与胃蛋白酶浓度正相关——酶促降解BSA网络释放DOX。PepA可以精确"刹车"释放速率，实现从快速释放到缓释的连续调控。载药夹持器完成了"抓取目标→软化释放药物"的全流程 |
| 说明什么 | 药物释放被"编程"为酶门控模式——只有在胃蛋白酶存在时才释放，pH变化本身不足以触发大量释放。这意味着可以通过调节抑制剂浓度来实现个性化的药物释放动力学 |
三、说明什么 💡
核心意义
| 发现 | 意义 |
|---|---|
| BSA-PEGDA在胃液中实现自主双阶段形变 | 首次用内源性生化信号（胃酸+胃蛋白酶）替代外部刺激驱动执行器运动，摆脱了人工干预 |
| PepA浓度依赖性调控恢复时间（120 min → 24 h+） | 提供了一种"生化编程"手段——通过抑制剂浓度精确控制执行器的时间行为 |
| DOX酶门控释放 | 药物释放与执行器形变耦合，实现"到达→抓取→释放药物"的一体化 |
| 微针夹持器在离体猪胃液中成功工作 | 证明了该系统在真实生物环境中的可行性 |
| Cellink BIONOVA X DLP打印高分辨率结构 | 商业化DLP打印机可以直接制造此类杂化水凝胶执行器 |
产品关联
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIONOVA X | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文实际使用的设备——DLP 3D生物打印机，405 nm光源，10 μm XY分辨率。直接打印BSA-PEGDA和PEGDA双层结构 |
| Cellink DLP生物墨水体系 | ⭐⭐⭐⭐ | BSA-PEGDA杂化生物墨水的配方优化思路（光吸收剂控制过固化）可直接应用于Cellink其他DLP墨水体系 |
| Cellink 气动挤出式打印机 | ⭐⭐ | 本文用的是DLP而非挤出式，但Cellink BIO X6也可以打印GelMA等光固化水凝胶，原理相通 |
局限与展望
- 仅适用于胃环境：当前设计特异性响应胃酸+胃蛋白酶，在其他生理环境（肠道、血液、脑脊液）中不适用——需要开发针对不同酶/离子的响应体系
- 形变幅度有限：最大弯曲角~330°，且恢复后结构完整性下降（BSA被降解），无法实现可逆循环
- 体内安全性待验证：仅做了体外HT29-MTX细胞7天测试，缺乏体内长期安全性、免疫原性和降解产物毒性评估
- 药物种类单一：仅测试了DOX，其他药物的嵌入效率和释放动力学需要逐一验证
- 规模化打印：DLP打印速度较慢，大批量生产需要考虑替代方案
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参考文献
- Liu Y, Potthuri H, Sosnik A, Khoury LR. Autonomous Hydrogel Actuators Programmed by Endogenous Biochemical Logic for Dual-Stage Morphing and Drug Release. Adv Mater. 2026; 38: e16809. DOI: 10.1002/adma.202516809
- Pardo A, Bakht SM, Gomez-Florit M, et al. Magnetically-Assisted 3D Bioprinting of Anisotropic Tissue-Mimetic Constructs. Adv Funct Mater. 2022; 2208940. DOI: 10.1002/adfm.202208940
- Wu D, Pang S, Berg J, et al. Bioprinting of perfusable vascularized organ models for drug development via sacrificial-free direct ink writing. Adv Funct Mater. 2024; 34: 2314171. DOI: 10.1002/adfm.202314171
转发语：用胃酸和胃蛋白酶当"编程指令"——水凝胶执行器自己弯、自己恢复、自己释放药物，全程不需要外部刺激。Cellink BIONOVA X直接打印，胃内靶向给药和微型软体机器人的结合点找到了。
联系人：李东伟
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