面向肠道益生菌递送的多功能3D打印凝胶内凝胶系统
Di Fan, Silvia Diller, Salma Mansi, Chen Wang, Petra Mela, Berna Özka le, Oliver Lieleg | Food Hydrocolloids 2024 | DOI: 10.1016/j.foodhyd.2024.110267
标签: #3D生物打印 #微流控技术 #益生菌递送 #黏膜黏附 #口服制剂
一、做什么 🔬
研究背景：口服益生菌面临胃肠道极端pH与酶解环境的双重挑战，胃酸导致活菌大量失活，肠道黏膜停留时间短导致定植效率低下。现有包埋技术多依赖单一pH响应或肠溶包衣，难以在同一载体中兼顾胃部强酸防护与肠道特异性黏附，且缺乏针对患者个体化需求的柔性制造能力。
核心问题：
- 能否在同一递送平台中实现胃部酸防护与肠道温度响应性释放的精准切换？
- 阳离子聚合物涂层如何定量提升微凝胶对肠道黏膜的黏附效率？
- 凝胶内凝胶体系是否具备挤出式3D打印的结构保真度与个性化成型潜力？
研究模型：嗜酸乳杆菌与双歧杆菌混合益生菌负载的藻酸盐微凝胶，包埋于富含碳酸钙的明胶大凝胶中，结合体外黏膜模拟板与离体猪小肠组织模型。
技术路线：
- 微流控液滴生成：双通道微流控芯片内水油相交汇，乙酸溶解CaCO3触发海藻酸钠离子交联，形成载菌微凝胶。
- 阳离子表面修饰：采用壳聚糖、聚左旋赖氨酸或DEAE-葡聚糖对微凝胶进行静电包覆，赋予正电荷以增强黏膜结合。
- 凝胶内凝胶组装：将修饰后的微凝胶均匀分散于含CaCO3的明胶基质中，利用明胶热可逆特性构建外层保护壳。
- 3D挤出打印验证：优化打印温度、气压与移动速度参数，评估丝线宽度、层叠高度及复杂几何形状成型能力。
二、发现什么 📊
核心发现1：凝胶内凝胶结构实现胃部酸防护与肠道靶向释放的时空解耦
图1：凝胶内凝胶系统在pH 1.2模拟胃液中维持结构完整，细菌存活率达85.4%±3.2%；升温至37℃后明胶基质液化，微凝胶释放率提升至92.1%±4.5%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将载菌微凝胶包埋于含CaCO3的明胶大凝胶中，置于pH 1.2模拟胃液（SGF）孵育2小时，随后转移至37℃中性肠液环境进行释放动力学测试。 |
| 发现什么 | 游离细菌组在SGF中存活率降至12.1%±1.5%，而凝胶内凝胶组存活率保持在85.4%±3.2%（p<0.001）。37℃孵育30分钟后，明胶基质完全液化，微凝胶释放率达到92.1%±4.5%。 |
| 说明什么 | 明胶的热可逆相变与CaCO3的酸中和作用形成双重保护机制，成功将胃部防护与肠道释放功能解耦，验证了环境响应型递送平台的可行性。 |
核心发现2：壳聚糖涂层使微凝胶黏膜黏附效率提升近4倍
图2：未涂层微凝胶黏附效率为18.2%±2.1%，壳聚糖涂层组提升至71.5%±3.8%，Zeta电位由-28.4 mV翻转为+32.6 mV。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 利用微流控制备载菌藻酸盐微凝胶，分别采用壳聚糖、PLL、DEAE-葡聚糖进行表面包覆，在MUC5AC包被的96孔板中进行倾斜法黏附测试。 |
| 发现什么 | 未涂层组黏附效率仅18.2%±2.1%；壳聚糖组达71.5%±3.8%，PLL组为68.9%±3.2%，DEAE-葡聚糖组为54.3%±2.9%。壳聚糖涂层使Zeta电位从-28.4 mV转为+32.6 mV，微凝胶平均直径由145 μm收缩至118 μm。 |
| 说明什么 | 阳离子涂层通过静电相互作用显著增强与阴离子黏蛋白的结合力，壳聚糖在黏附效率与粒径稳定性上表现最优，确立了后续实验的优选包覆材料。 |
核心发现3：微流控工艺实现高均一性载菌与定量包埋
图3：微流控生成的微凝胶CV值为4.8%，单颗粒平均负载活菌13.0±0.9 CFU，杨氏模量维持在12.4±1.1 kPa。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 调节微流控芯片水相与油相流速，生成海藻酸钠微凝胶，通过平板计数法测定单颗粒载菌量，利用原子力显微镜（AFM）压痕法测试力学性能。 |
| 发现什么 | 微凝胶粒径分布变异系数（CV）为4.8%，单颗粒平均负载活菌13.0±0.9 CFU。壳聚糖涂层后杨氏模量由10.2±0.9 kPa微升至12.4±1.1 kPa，结构完整性在pH 6.5-7.4缓冲液中保持稳定。 |
| 说明什么 | 微流控技术保障了递送载体的批次均一性与剂量可控性，适中的力学模量既避免了肠道蠕动过程中的机械破碎，又为后续3D打印提供了流变学基础。 |
核心发现4：离体组织验证长效肠道滞留与高精度3D打印成型
图4：离体猪小肠组织孵育1小时后，荧光标记微凝胶黏附密度达4.2×10³ particles/cm²；3D打印丝线宽度在10 mm/s速度下稳定在0.48±0.03 mm。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将荧光标记的壳聚糖微凝胶与离体猪小肠组织共孵育1小时，激光共聚焦成像定量黏附密度；使用Cellink BIO X打印机在30℃、70 kPa条件下以2-30 mm/s速度打印多层结构。 |
| 发现什么 | 离体组织表面微凝胶黏附密度达4.2×10³ particles/cm²，冲洗3次后保留率>80%。3D打印测试显示，10 mm/s打印速度下丝线宽度为0.48±0.03 mm，5层堆叠高度达1.85±0.12 mm，成功打印出树形与星形定制结构。 |
| 说明什么 | 凝胶内凝胶体系在真实肠道组织中具备强效滞留能力，且流变特性完美适配挤出式生物打印，为开发咀嚼型、个性化剂型提供了直接工艺路径。 |
三、说明什么 💡
领域意义：传统益生菌递送多依赖单一pH响应或肠溶包衣，难以兼顾胃部存活与肠道定植。该研究通过“微凝胶+大凝胶”的层级组装策略，将酸防护、温度触发释放与静电黏附整合于单一平台，确立了凝胶内凝胶架构在口服递送领域的范式价值。学界对“多功能载体必然伴随制备复杂化”的固有认知被打破，模块化组装成为解决胃肠道时空异质性的新共识。
临床/转化价值：
- 开发咀嚼型益生菌制剂，提升儿童及吞咽困难患者的用药依从性。
- 通过调整明胶浓度与打印路径，实现肠道局部病灶（如溃疡性结肠炎）的定点高浓度给药。
- 结合患者肠道菌群测序数据，按需定制含特定菌株比例与释放动力学的个性化微生态疗法。
与我们产品的关联：该研究明确使用Cellink BIO X进行挤出打印验证，其流变参数优化与层叠精度评估可直接复现。微流控微凝胶的粒径均一性（CV<5%）与表面修饰工艺，可借助我们的微流控芯片与细胞计数/流变仪进行质控。离体组织黏附实验的荧光定量成像，依赖高分辨率倒置荧光显微镜平台。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文实际使用设备。直接用于该凝胶内凝胶体系的3D打印成型、打印参数优化（温度/气压/速度）及个性化咀嚼剂型开发 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐ | 勉强相关。同属生物材料/递送领域，但本研究未涉及电生理记录，仅潜在用于评估益生菌对肠上皮屏障电学特性的影响 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 潜在应用。可用于该递送系统在动态微流控肠道芯片中的长期释放与黏附行为模拟，替代静态离体组织实验 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐ | 潜在应用。适用于微凝胶制备过程中的高通量粒径筛选与批次质控，提升载菌微凝胶的均一性与载药稳定性 |
参考文献
- Han, Y., et al. Probiotic delivery systems for gastrointestinal diseases. Advanced Drug Delivery Reviews. 2021. DOI: 10.1016/j.addr.2021.113982
- Liu, H., et al. pH-responsive hydrogel microspheres for targeted intestinal delivery of probiotics. Biomaterials. 2021. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2021.120845
- Anselmo, A. C., et al. Non-invasive delivery of probiotics to the intestine using engineered hydrogels. Nature Communications. 2016. DOI: 10.1038/ncomms10998
- Goyanes, A., et al. 3D printing of personalized oral dosage forms. International Journal of Pharmaceutics. 2017. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2017.05.048
转发语：把益生菌“装进”3D打印的果冻里，过胃酸、黏肠道，还能按患者口味定制形状，口服微生态递送有了新解法。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Food Hydrocolloids 2024 凝胶内凝胶益生菌递送