脂质稳定液液界面在生物材料3D打印中的应用

    在生物医学领域，液液界面稳定策略对推进各类应用至关重要，然而当前液液3D打印技术中，高浓度表面活性剂的使用及油酸浴相的酸性特质，致使材料生物相容性存疑，严重制约其在组织工程和药物输送等生物医学领域的应用。来自美国密苏里大学堪萨斯城分校的Zahra Niroobakhsh教授团队合作开展研究，开发出一种基于脂质自组装的生物相容性原位形成材料，借助脂质在水-油界面自组装形成纳米结构，实现了液液3D打印中液体的可控结构化。该团队利用此材料体系制备出纤维、基底和微针贴片等复杂3D构造，经测试，这些构造展现出优异的机械性能与生物相容性。相关工作以“Application of lipid-stabilized liquid-liquid interfaces in 3D printing of biomaterials”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上。
研究内容
     通过设计打印流程和构造模型的方法，研究了脂质水凝胶在液液3D打印中的成型过程，包括纤维、基底和微针贴片的制备。结果表明，该技术能成功构建复杂3D结构，可用于拉伸测试、细胞活性检测及药物输送等场景。
 

通过绘制制备流程、UV固化步骤和实物图像的方法，研究了微针贴片的打印工艺。结果表明，倒置打印法能有效提升微针的形状保真度，避免基底鼓包，且打印材料在液态下可减少细胞损伤。
 

通过定时观察和厚度测量的方法，研究了蓖麻油与大豆PC溶液界面的凝胶化过程。结果表明，界面处形成三层结构（大豆PC富集层、界面凝胶层、蓖麻油富集层），凝胶厚度和大豆PC转移量随时间增加，证实脂质自组装驱动凝胶形成。
 

通过绘制相图和小角X射线散射测量的方法，研究了不同蓖麻油与大豆PC摩尔比的平衡脂质凝胶。结果表明，高摩尔比样品呈现层状纳米结构，域间距随蓖麻油含量增加而减小，证实脂质自组装形成有序结构。
 

通过小角X射线散射和流变测试的方法，研究了界面分离的三层材料（Lpc、Linterface、Lco）。结果表明，Lpc和Linterface为层状结构，Lco为六边形结构，所有层均表现出剪切稀化特性，与平衡脂质凝胶机械性能相似。
 

通过小角X射线散射和扫描电镜观察的方法，研究了不同大豆PC组成的打印纤维。结果表明，纤维形成立方（a=8.5 nm）或六边形（a=4.9 nm, c=10.4 nm）纳米结构，表面均匀多孔，平均孔径1.88 μm。
 

通过单轴拉伸实验的方法，研究了不同PEGDA含量的纤维机械性能。结果表明，PEGDA含量越高，纤维的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率越高，其中Soy PC 4的杨氏模量达30.5 kPa。
 

通过活/死染色和细胞计数的方法，研究了Soy PC 1和4样品的细胞毒性。结果表明，两种样品的细胞存活率均超过80%，与对照组无显著差异，证实材料无毒性，但PEGDA表面缺乏细胞结合位点，直接接触时细胞黏附性低。
 

研究结论
本研究开发了一种利用脂质自组装稳定液液界面的生物相容性系统，实现了液液3D打印复杂构造。小角X射线散射证实，打印纤维形成立方（晶胞参数a=8.5 nm）和六边形（晶格常数a=4.9 nm、c=10.4 nm）纳米结构，界面材料和平衡脂质凝胶中存在层状（d≈2.3 nm）和六边形（a≈3.3 nm） domains。流变学显示平衡凝胶和界面层呈固态粘弹性（G'>G''）且具剪切稀化特性。机械测试表明，PEGDA含量越高，纤维杨氏模量越高（从5.4 kPa到30.5 kPa）。细胞活性测试显示 constructs 存活率超80%，且成功制备微针贴片，展现其在药物输送和生物制造中的应用潜力。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138111