pH响应型4D打印铁(III)-氧化淀粉凝胶的智能控释系统构建及其在缺铁性贫血治疗中的应用

本研究针对传统铁补充剂生物利用度低、胃肠刺激性强等问题，通过热挤出3D打印结合pH触发4D变形技术，开发了铁(III)-氧化淀粉凝胶(4D-FeOMS)。该平台实现了胃部低释放(<30% Fe3+)与近端小肠快速释放(>85%)的精准控释，显著提升IDA小鼠的铁储存恢复率(>94.6%)并优化铁代谢调控通路，为智能矿物递送系统提供了新范式。

　　

铁是人体必需的微量元素，缺铁性贫血(IDA)作为全球最常见的营养缺乏症，影响着约20亿人口。传统铁补充剂如硫酸亚铁虽价格低廉，却因胃酸环境下的过早释放导致生物利用度低下(<10%)，并伴随恶心、便秘等副作用。更棘手的是，游离铁离子会催化芬顿反应产生自由基，加剧氧化应激损伤。近年来，多糖-铁复合物因其良好的生物相容性崭露头角，但未改性淀粉基材料在胃酸中稳定性差、控释性能不佳的缺陷制约了其应用。

针对这一技术瓶颈，华南理工大学的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表创新成果，将4D打印技术引入铁补充系统开发。研究通过次氯酸钠氧化在淀粉分子中引入羧基，利用热挤出3D打印结合pH响应形变构建了4D-FeOMS智能凝胶。关键技术包括：采用流变学优化打印参数，通过FTIR和XPS表征铁配位机制，建立体外消化模型模拟胃肠转运，并使用IDA小鼠模型评估铁代谢调控效果。

Characterization of OMS
氧化改性使淀粉羧基含量达1.043%，FTIR显示C=O峰红移至1600 cm^-1，证实羧基成功引入。X射线衍射表明氧化过程破坏淀粉结晶区，有利于Fe³⁺渗透。

Rheological properties
流变分析揭示Fe³⁺水解会打断淀粉分子氢键网络，使储能模量(G')降低42%，但4D打印样品通过pH触发重组形成更均匀的网络结构，相关长度(ξ)减小31%。

In vitro iron release
模拟消化实验显示4D-FeOMS在胃相(pH 2.0)仅释放28.7%铁，而在肠相(pH 6.8)2小时内释放率达87.4%，显著优于3D打印样品(p<0.01)。

In vivo efficacy
IDA小鼠干预实验表明，4D-FeOMS-10%组血红蛋白(Hb)恢复至135 g/L，肝脏铁含量达正常组94.6%。机制研究发现其通过下调铁调素(hepcidin) 23%、上调铁蛋白(ferritin) 37%优化铁代谢。

Conclusions
该研究突破性地将4D打印的动态响应特性与淀粉基材结合，创建了具有胃保护-肠靶向双功能的铁递送系统。4D-FeOMS通过羧基-Fe³⁺离子交联和pH触发网络重组，实现了铁释放的时空精准控制。动物实验证实其不仅能高效纠正贫血，还能通过调节铁代谢关键蛋白减少氧化损伤。这种"打印即控释"的策略为功能性食品和营养制剂开发提供了新思路，特别适用于需要多段释放的矿物质补充场景。

值得注意的是，4D-FeOMS-10%展现出最佳性能平衡，其铁添加量既满足营养需求又避免过载毒性。该技术可扩展至其他矿物元素补充系统，且原料成本仅为小分子多糖载体的1/5，具有显著的产业化潜力。未来研究可进一步探索不同淀粉源（如高直链淀粉）对控释性能的影响，以及长期服用的安全性评估。