叶黄素是一种天然存在的黄酮类化合物，主要存在于水果和蔬菜中，它是人类视网膜黄斑色素的重要组成部分（Kuo & McClements, 2022）。流行病学研究表明，约63.5%的互联网用户存在视觉障碍，如干眼症和白内障，而这些疾病很大程度上是由于长期暴露于蓝光所导致的（Anbesu and Lema, 2023）。叶黄素的生理功能包括过滤高能量可见光、减轻氧化应激、缓解视觉疲劳以及降低年龄相关性黄斑变性的风险（Ochoa Becerra et al., 2020）。然而，由于其水溶性差、化学稳定性低以及生物可利用性有限，难以实现高效的体内吸收和利用（Kuo et al., 2022）。在胃肠道环境中，游离叶黄素容易发生结晶、聚集以及氧化降解，这大大降低了其在消化道中的分散性和溶解度，使得其生物可利用性极低，通常仅在2%到5%之间（Yang et al., 2018）。
为了解决这些问题，人们开发了多种输送系统来提高叶黄素的稳定性和生物可利用性。这些系统包括纳米乳液、甜菊糖苷介导的叶黄素纳米颗粒、多糖基乳液凝胶、由固体颗粒稳定的皮克灵乳液以及纳米结构脂质载体（Xu et al., 2022; Dai et al., 2021; Hao et al., 2024; Xu et al., 2023）。这些系统能够提升叶黄素的水分散性，保护其免受化学降解，并在模拟胃肠道条件下提高其生物可利用性。不过，这些研究也表明，消化过程中释放的叶黄素量并不一定与进入混合微胶束相的量相等。因此，有很大一部分释放出的叶黄素仍以游离状态存在于肠道液中，这就限制了微胶束化的效率，进而降低了生物可利用性。由于生物可利用性不仅取决于叶黄素的释放，还与其能否进入由消化作用产生的混合微胶束有关，因此提高这两种过程之间的同步性或许能为提升叶黄素的利用效率提供新的机会。这类混合微胶束是由脂质消化过程中产生的单酰甘油和游离脂肪酸，以及内源性的胆盐和磷脂自组装而成的胶体结构（Geng et al., 2023; McClements, 2018）。尽管人们越来越认识到混合微胶束形成的重要性，但在不同释放条件下微胶束组装的结构演变以及分子间相互作用机制仍不甚清楚。
近期研究显示，混合微胶束的形成及其结构特征，如大小、成分和界面性质等，对于决定脂溶性化合物的溶解度和吸收效率起着关键作用（El Aoud et al., 2021; Rezhdo et al., 2017）。如果混合微胶束形成不足，就会显著降低强疏水性生物活性物质的生物可利用性（Li, Zhong, Meshram, & Kopec, 2025）。脂解产物的类型和数量会显著影响微胶束的形成，不同的游离脂肪酸和单酰甘油会形成具有不同生物活性化合物容纳能力的混合微胶束。例如，与中等链长甘油三酯相比，长链甘油三酯在消化过程中更容易形成具有更大疏水核心的混合微胶束，从而提升类胡萝卜素的溶解度（Wei et al., 2021; Qian et al., 2012; Salvia-Trujillo et al., 2013b）。此外，微胶束核心内部的更强疏水相互作用有助于更好地包封和保留叶黄素等脂溶性分子（Pabois et al., 2021; Pink et al., 2021）。尽管已有这些研究结果，但在不同释放条件下混合微胶束组装过程中的结构转变及分子间相互作用仍缺乏足够了解。
控制释放动力学被认为是一种克服上述局限性的有效策略。尤其是，让叶黄素的释放呈顺序性（延迟型）而非传统的瞬间释放或持续释放模式，或许能够增加叶黄素释放与混合微胶束形成之间的时间重叠。通过将生物活性物质的释放与脂肪水解和微胶束组装等关键的消化过程同步，有望提升叶黄素进入微胶束相的效率，进而提高其生物可利用性。不过，这种按时间程序控制的释放方式是否能够主动调节消化过程中的混合微胶束组装及其相关结构变化，目前仍需进一步研究。
3D打印是一种新型的增材制造技术，它能够以精确控制的空间排列方式构建复杂的逐层结构（Enke et al., 2023; Sarker et al., 2024）。在我们的初步实验中，我们使用双喷嘴3D打印技术制备了由含叶黄素层和无叶黄素层组成的多层结构，这样的设计实现了顺序释放效果，同时提升了叶黄素的溶解度和生物可利用性。然而，结构设计、释放动力学与混合微胶束组装之间的相互作用机制尚未得到系统阐述。
在本研究中，我们利用双喷嘴3D打印技术制备了四种具有不同多层结构的含叶黄素3D打印乳液凝胶。这些凝胶被置于模拟胃肠道环境中进行消化试验，以研究它们的消化性、释放动力学以及叶黄素的生物可利用性。此外，我们还通过粒子大小、微观结构、表面电位和分子间相互作用等方面，结合时间分辨SAXS分析，研究了消化产物?结构演变。同时，还使用了Caco-2细胞进行了细胞摄取实验，以验证体外研究结果。
本研究旨在阐明可编程结构如何调控释放动力学、影响混合微胶束的组装，进而决定叶黄素的生物可利用性，从而建立一种将食品加工设计与消化驱动的胶体转化过程相联系的结构-释放-组装框架。这些研究结果为合理设计输送系统、提升叶黄素及其他脂溶性生物活性物质在功能性食品中的功效提供了新的思路。
