设计能够自主响应复杂生理环境的软材料，仍然是生物医学系统工程中的一项根本挑战。本文介绍了一种 3D 打印的混合蛋白-聚合物水凝胶执行器，该执行器通过内源性生化逻辑工作，实现了在胃模拟环境中实现完全自主的双阶段形状变形和酶触发药物释放。执行器由双层结构组成：一层基于牛血清白蛋白聚（乙二醇）二酰氨酯（BSA-PEGDA）的主动层，另一层为被动 PEGDA 层。在酸性胃液中，BSA-PEGDA 层经历快速构象膨胀，随后因胃蛋白酶介导的降解延迟软化，自主驱动可逆形状转变，无需人工干预。通过将多柔比星（DOX）嵌入 BSA-PEGDA 水凝胶网络中，该系统实现了特定部位的酶门控药物释放，并可通过肽 A 作为生化抑制剂进行调节。高分辨率数字光处理（DLP）打印使得制造复杂的自主执行器和配备微针的夹持器成为可能，这些握持器能够实现黏膜粘附、捕捉释放行为以及受控传递。本研究确立了一种材料设计策略，将生化线索作为可编程输入驱动机械和治疗输出，为生物响应软机器人和原位药物递送提供了坚实平台。

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该研究以题为“Autonomous Hydrogel Actuators Programmed by Endogenous Biochemical Logic for Dual‐Stage Morphing and Drug Release”发表在Advanced Materials上。

BSA-PEGDA水凝胶的酸和酶触发转变及优化BSA-PEGDA生物墨水的高保真3D打印。(a) BSA-PEGDA水凝胶在胃液中响应机制的示意图。(i) BSA分子共价嵌入PEGDA网络中，形成单一的混合结构。在中性环境下，BSA（红色）在水凝胶内保持其球状构象。(ii–iii) 在胃液条件下，水凝胶经历两个连续的形态转变。在早期阶段，酸性pH引起BSA部分展开（以红色线条链表示），而胃蛋白酶介导的降解仍然很少，导致初始膨胀。随着时间的推移，胃蛋白酶的降解作用逐渐占主导地位，导致越来越多的BSA被降解，水凝胶逐渐软化，孔隙扩大，可通过红色BSA组分消失和网络部分坍塌来观察到。(b) BSA-PEGDA水凝胶的合成与3D打印。BSA-PEGDA复合物通过Aza–Michael加成反应合成，其中BSA赖氨酸残基的一级胺基与PEGDA的丙烯酸酯基反应形成稳定的共价键。将该BSA-PEGDA结合物混合LAP和向日葵黄素（Tartrazine）制备成可光固化生物墨水。然后将墨水装入配备405 nm紫光源（半高宽±7.5 nm）的BIONOVA X（CELLINK）DLP 3D生物打印机中。打印时光强约为12 mW cm−2（对应打印机可调范围4–16 mW cm−2的75%），层厚为50 µm，XY分辨率为10 µm，Z精度为4 µm（电机驱动），每层曝光时间为10秒。在这些条件下，405 nm照射能高效激活LAP，启动PEGDA乙烯基的自由基介导聚合，实现具有高保真的水凝胶逐层构建。打印后，将样品在TRIS溶液中彻底冲洗（10分钟×3轮），以去除未反应的单体和残余光引发剂。(i–iii) 展示了使用优化BSA-PEGDA生物墨水配方（BSA-PEGDA:LAP:向日葵黄素=24:6:1，v/v/v）通过3D打印制备的清晰定义的空心C60、支架和螺旋结构。这些结构显示出精确的形态定义和高结构保真性，突显了向日葵黄素在提高复杂几何体分辨率中的关键作用。

BSA-PEGDA水凝胶在胃类模拟环境中的膨胀、降解、结构分析及生物相容性。（a） BSA-PEGDA水凝胶在37°C处4小时内在TRIS、HCl（pH ∼2）和SGF（胃蛋白酶0.5、1， 2 mg/mL，pH ∼2）中的膨胀比（SR，百分比）。在盐酸中，SR增加2小时后稳定。在SGF中，盐氨酸（盐酸）中SR显著上升，但初期较盐酸（pH ∼2）为低，因为胃蛋白酶降解BSA，降低水分吸收。较高的胃蛋白酶浓度会降低初期肿胀，但由于水凝胶侵蚀，4小时后SR会达到最高。在TRIS中，SR保持稳定。（b） BSA-PEGDA水凝胶在37°C的压缩杨氏模量（E， kPa）在TRIS、HCl（pH ∼2）和SGF（胃蛋白酶0.5， 1， 2 mg/mL， pH ∼2）中表现。30分钟时，压缩杨的模量在SGF和HCl（pH ∼2）中显著下降，而盐酸（pH ∼2）的下降速度也比SGF慢。在SGF中，胃蛋白酶协同加速刚度损失，较高的胃蛋白酶水平加速了刚度的下降。随着时间推移，HCl（pH ∼2）刚度下降速度减缓，稳定在约60 kPa，而SGF中的E在4h后下降约10kPa。TRIS在整个实验中保持稳定E值。（c）在37°C（胃蛋白酶1 mg/mL，pH ∼2）中，对BSA-PEGDA水凝胶中BSA结构进行ATR FTIR光谱分析，培养4小时后。与TRIS组相比，酰胺I峰（约1650 cm−1）和酰胺II峰（约1550 cm−1）显著减少，表明酶消化破坏了BSA的二级结构。ANS作为疏水荧光探针，与BSA的疏水区域结合，从而能够灵敏地检测蛋白质构象变化和降解。插入的ANS荧光图像显示胃蛋白酶强度降低，表明疏水区暴露减少，进一步证实了BSA在水凝胶网络中的降解。比例尺：8毫米。（d） SDS-PAGE分析监测了在37°C下4小时内在SGF下BSA的降解和水凝胶释放情况。初级BSA带强度（37–50 kDa和<10 kDa）随时间递增，表明酶促消化和肽从水凝胶基质中逐步释放。（e） TRIS中PEGDA（200 mM）和BSA-PEGDA（2–100 mM）水凝胶的冷冻SEM与SGF（蛋白酶1 mg/mL，pH ∼2）在37°C下4小时的处理后BSA-PEGDA形成。PEGDA（TRIS）表现出无序且大孔隙结构;BSA-PEGDA（TRIS）显示均匀的孔隙度。在SGF中，BSA-PEGDA降解，孔隙变大，网络较松散且部分破损。（f） 利用分泌黏液的人肠上皮细胞系HT29-MTX，在直接和间接（半透插入）接触条件下培养7天后，对BSA-PEGDA（2–100 mM）和PEGDA（200 mM）水凝胶进行细胞相容性评估。通过MTT测定法定量了细胞存活率。BSA-PEGDA和PEGDA水凝胶均表现出高细胞相容性，分别保持细胞存活率超过80%和约70%，证实其生物相容性极佳（见图S3）。所有测量均在n=3独立的情况下进行

在酸性、酶促和抑制剂调控的胃条件下双层水凝胶执行器的顺序形状变形。(a) 3D打印的BSA-PEGDA (2–100 mM)/PEGDA (200 mM) 双层水凝胶执行器自主形状变形示意图，二者通过共价结合(i)。在37◦C的SGF中，初始弯曲是由于BSA的结构变形增强了吸水性，导致BSA-PEGDA层膨胀(ii)。随着时间的推移，BSA的酶促降解逐渐软化BSA-PEGDA层，使PEGDA层恢复原始形状(iii)。(b,c) 水凝胶在HCl (pH ∼2)和SGFs (胃蛋白酶0.5、1、2 mg/mL, pH ∼2)中的形状变形响应。两种水凝胶执行器在前20分钟内弯曲角度迅速增加，HCl (pH ∼2)处理导致持续弯曲，经过4小时后达到约θmax ∼320◦。相比之下，在胃蛋白酶存在下，弯曲角度最初增加但逐渐减小，最终回到直线形状。SGFs中初始最大弯曲角度在高浓度胃蛋白酶下较低，可能由于BSA降解减少了吸水性

胃信号驱动的复杂三维打印双层水凝胶执行器形状变换。评估了四种不同的三维打印水凝胶执行器形状（i-金字塔，ii-环，iii-竹子，iv-盒子）在37°C下6小时内在不同环境中的自主形状变化，包括HCl（pH约2）、SGF（胃蛋白酶 0.5 mg/mL，pH约2）和PFG（4倍浓度，pH约2）。在TRIS中，水凝胶保持其原始形状。在HCl（pH约2）中，水凝胶从平面形状转变为稳定的三维结构。在SGF或PGF中，水凝胶执行器最初从平面结构弯曲为三维结构，然后逐渐恢复到其原始形状。

3D打印水凝胶夹钳在模拟胃和黏液环境中的自主捕捉释放行为。（a） 在37°C条件下，3D打印水凝胶夹持器在盐酸（pH ∼2）和SGF（胃蛋白酶2、1和0.5 mg/mL，pH ∼2）（i-vi）中实时形态变形。随着时间推移，在SGF中，水凝胶逐渐弯曲并夹住塑料球，然后松开并恢复原形。更高的胃蛋白酶浓度加快了水凝胶的降解，导致球体提前释放，而浓度越低，释放速度越慢。相比之下，在盐酸（pH ∼2）中，水凝胶持续抓握球体而不松开。（b，c）左（N/P）和右（P）夹具在酸性和类似黏液的环境中的抓握性能。（i） 在盐酸（pH ∼2）中，两个抓手都能保持30和40转/分钟的抓地力;左侧（N/P）夹持器在60转/分时失去抓地力，而右侧（P）夹持器仅在80转/分钟时失去抓地力。（ii） 对照组中，夹持器（非嵌入式）在自然弯曲后转速40转/分钟时失去抓地力，表明抓握性能较弱。（d） 在SGF（胃蛋白酶1 mg/mL，pH ∼2）30转/分钟时，夹持器自动捕获并释放模拟的黏液层。

自主、酶调控的形状变形及药物释放，均来自3D打印的BSA-PEGDA-DOX双层水凝胶执行器。（a） BSA-PEGDA-DOX双层水凝胶执行器的自主形态变形及药物释放行为的示意图。（i）最初，水凝胶由PEGDA被动层和DOX加载的BSA-PEGDA活性层组成。（ii）在酸性胃液（pH ∼2）中，BSA展开，诱导自主弯曲，DOX释放极少。（iii）随着胃蛋白酶介导降解的加剧，BSA经历酶促降解，触发形态恢复和大量DOX释放。（b） 在不同环境中对BSA-PEGDA-DOX（CDOX-凝胶∼0.8 mg/mL）双层水凝胶的形态变形和DOX释放。水凝胶在盐酸（pH ∼2）下20分钟内迅速膨胀并弯曲。在SGF（胃蛋白酶1mg/mL，pH∼2）中，它们最初弯曲，60分钟后恢复原状。相比之下，TRIS中没有发生显著的形态变化。（c） SGF（胃蛋白酶1 mg/mL，pH ∼2）条件显著加速水凝胶降解和DOX释放，而TRIS和HCl（pH∼2）条件释放较慢。（d）在不同环境中，复合形状的BSA-PEGDA-DOX（CDOX-凝胶∼0.8 mg/mL）水凝胶执行器释放DOX。在TRIS中，水凝胶保持稳定（橙色）。在非酸性条件下，它从平面结构转变为三维结构，但没有释放DOX（橙色）。在SGF（胃蛋白酶0.5mg/mL，pH∼2）处理下，它从平坦过渡到三维结构，然后又恢复平坦，同时完全释放DOC（透明）。（e）锥形执行器首先经历酸诱导弯曲，随后随着胃蛋白酶逐渐降解更多BSA而松弛（胃蛋白酶0.5 mg/mL，pH ∼2）。图像在405纳米紫光照射下录制，以监测DOX荧光。减弱的荧光信号反映了BSA-PEGDA网络中酶触发的DOX释放（见视频S5）。所有测量均使用n=3个独立样本，数据以平均±标准差（SD）形式呈现

总结

这期《Advanced Materials》封面文章展示了一项前沿创新：一种能听懂“胃的语言”的智能水凝胶。以色列理工学院的研究团队巧妙地利用牛血清白蛋白（BSA）对胃酸和胃蛋白酶的双重响应特性，结合3D打印技术，制造出了一种双层结构水凝胶驱动器。在胃的酸性环境下，蛋白质结构变化驱动水凝胶迅速弯曲变形，完成抓取动作；随后，胃蛋白酶像一把“生物钥匙”，逐步降解蛋白质网络，使材料软化并恢复原状，实现自主的“抓放”循环。整个过程完全由体内固有生化信号控制，无需任何外部干预。

更有突破性的是，研究团队还将抗癌药物阿霉素（DOX）整合到该系统中，创造了形变与给药一体化的“智能药械”。在弯曲抓取阶段，药物被牢牢锁住；只有当胃蛋白酶开始工作、材料软化恢复时，药物才会大量释放。这种“先定位、后释药”的精准时序控制，犹如在胃部安装了一个自主运作的微型机器人药剂师，为胃部疾病的靶向治疗和缓释给药提供了全新的解决方案，标志着生物响应材料向更高阶的自主化和智能化迈出了关键一步。

参考文献：

DOI: 10.1002/adma.202516809