《International Journal of Molecular Sciences》：Single-Cell Gene Module Inference Reveals Alternative Polyadenylation Dynamics Associated with Autism
Fei Liu,
Haoran Yang and
Xiaohui Wu
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为满足挤出式增材制造对可水加工、无需化学交联即可形成物理稳定网络的需求，本研究针对微生物多糖开菲尔菌多糖(kefiran)-丙二醇(PG)配方，系统评估了其时间依赖性的超分子重排对打印保真度的调控机制。研究表明，PG添加15分钟后打印的丝线其抗垂塌能力（归一化偏折δ/(L/2)<0.03）相较5分钟时（δ/(L/2)≈0.35）显著提升。流变学时间扫描显示储能模量G′在1800秒内从~100增至~1200 Pa，证实了渐进性的粘弹性硬化。冻干支架呈现孔径6-20 μm、表观孔隙率达60.9%的互连多孔结构，再溶胀5小时可达初始干重的~350%，并在56天浸泡中保持结构完整。ATR–FTIR证实多糖骨架无新共价键生成，表明挤出保真度由物理网络内的渐进性超分子重整所控制。该工作为设计物理结构可控、无需外加交联剂的挤出型生物材料提供了新策略。
在当前生物制造和可持续材料科学领域，寻找可替代石油基聚合物的生物基、可水加工的材料是研究热点。其中，微生物多糖因其可通过发酵实现规模化、重复性生产而备受关注。在挤出式增材制造（一种3D打印技术）中，理想的材料需要在挤出过程中具有良好的流动性，而在沉积后又能迅速稳定成型，以保持预设的几何形状。目前，许多天然多糖（如海藻酸钠）依赖于离子交联等外部凝胶化步骤来实现结构稳定，这增加了工艺复杂性，并可能引入非生理性组分。因此，开发一种仅通过材料自身的、随时间演变的物理相互作用就能实现“挤出时易流动、沉积后自支撑”的系统，具有重要的科学意义和应用潜力。
针对上述问题，研究人员聚焦于一种由开菲尔粒共生菌群产生的胞外多糖——开菲尔菌多糖(kefiran)。kefiran在水环境中可形成由氢键等弱相互作用驱动的三维物理网络。研究提出，通过引入低分子量多元醇——丙二醇(PG)作为加工助剂，可以精细调控kefiran分子链间的氢键平衡，从而获得一种兼具良好挤出性能和渐进性结构固化的配方。本研究旨在系统评估kefiran-PG配方的挤出性能、时间依赖性流变行为、成型后的微观结构以及在水环境中的稳定性，以阐明其作为物理结构化挤出体系的内在机制。相关成果发表在《International Journal of Molecular Sciences》上。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过水提醇沉法从商业开菲尔粒中提取和纯化kefiran，并与PG按特定质量比制备配方。利用基于挤出的生物3D打印系统成型。通过定量的丝线坍塌测试，分析不同静置时间后打印丝线在悬空跨距上的偏折。采用扫描电子显微镜(SEM)观察冻干后支架的微观形貌和孔径分布。通过称重法测定支架在37°C水中的溶胀动力学和长达56天的表观质量变化。利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)分析材料的化学结构变化。通过旋转流变仪进行应变扫描、频率扫描和时间扫描，全面表征配方的粘弹性行为。
3.1. 丝线坍塌与时间依赖性可打印性
结果显示，在PG添加5分钟后打印的丝线表现出明显的跨中垂度，而在15分钟后打印的丝线垂度显著减小，形状保持能力增强。定量分析表明，5分钟组的归一化偏折δ/(L/2)在最大跨距时可达约0.35，而15分钟组则降至0.03以下。这直接证明了配方存在时间依赖性的自支撑能力提升。
3.2. 形态学分析
SEM观察显示，冻干后的kefiran-PG支架具有相互连通的多孔结构。孔壁呈现薄片状和细丝状桥接的微纹理。孔径分布广泛，主峰在6-20 μm之间，表观（二维）孔隙率为60.9 ± 1.2%。表面形貌与内部结构一致，表明多孔结构贯穿整体。
3.3. 溶胀行为与表观质量变化
支架在37°C水中浸泡5小时内迅速溶胀至约初始干重的350%（即溶胀率~350%），之后达到溶胀平台。在长达56天的浸泡实验中，支架表现出渐进性的表观质量损失（56天后约20%），但始终能保持宏观结构完整，未发生碎裂。
3.4. FTIR/ATR分析
ATR-FTIR光谱表明，经过加工处理的kefiran-PG支架保留了kefiran多糖骨架的主要特征吸收峰，未出现新的共价键特征峰。与纯kefiran相比，支架光谱中O-H伸缩振动峰(~3350 cm-1)变宽增强，指纹区（~1000 cm-1）吸收峰强度增加，这归因于PG的掺入改变了氢键网络环境，而非发生了化学反应。
3.5. 流变学表征
应变扫描显示配方在低应变区（约1%）有线性的粘弹性响应。频率扫描显示复数粘度随频率增加而下降，表现出剪切稀化行为。最关键的时间扫描实验表明，储能模量(G′)在1800秒内从约100 Pa持续增加至约1200 Pa，而损耗模量(G″)增长缓慢，两者差距逐渐拉大，说明体系随时间的推移发生了渐进性的、以弹性增强为主的粘弹性固化。
综合以上结果，本研究得出结论：kefiran-PG配方是一种“时间演化”型的挤出材料。其挤出保真度并非由静态配方参数或化学交联决定，而是由PG添加后触发的、渐进性的超分子重排和物理网络整合所控制。这种机制为材料提供了宝贵的加工窗口——早期具有良好的可挤出性，后期则获得优异的自支撑能力。研究推荐在PG添加后静置约15分钟再进行打印，以获得最佳的形状保真度。
该研究的意义在于，它首次系统地揭示了kefiran作为一种微生物多糖在挤出加工中的时间依赖性行为，并建立了从分子间相互作用（氢键竞争与重整）到宏观流变性能（渐进性粘弹性硬化），再到最终产品性能（丝线稳定性、多孔结构、溶胀行为）的完整逻辑链条。这为设计新一代完全水基加工、无需外加交联步骤、依靠自身物理结构演化实现精确成型的生物材料提供了清晰的原理指导和具体的配方范例。在生物医学领域，这种生物相容性好、具有互连多孔结构且溶胀行为可控的材料，在软组织工程支架和药物递送系统方面展现出应用潜力；在食品领域，其可食用组分和结构化能力也为定制化食品质构设计提供了新思路。
