肝脏组织工程是一个充满前景的领域，为肝脏替代疗法提供了无限可能。制约肝脏组织工程发展的一个重要因素在于很难构建对肝细胞基质及其与肝细胞结合具有组织特异性的仿生材料，这需要综合考虑肝脏复杂的细胞组成和基质结构特性。能够复制肝脏杨氏模量和肝小叶多孔结构的仿生肝脏材料可以支持与天然小叶结构相似的肝细胞的生长和排列，并调节与肝细胞功能相关的信号通路。
目前多孔结构可以通过多种方式来设计和实现，例如溶剂浇铸、气体发泡、冷冻干燥、3D打印和相分离。然而，这些方法仍然具有一定的局限性，包括控制孔径和连通性方面的挑战、机械性能不匹配、生物相容性低以及合成程序不可扩展。在本研究中，受肝脏微观结构的启发， 实现了具有类似于肝小叶的互连大孔结构的仿生肝脏材料的设计和制造，用于肝细胞的功能维持。
肝细胞的在体微环境决定了肝细胞的活性及功能的表现。体外维持肝细胞的功能是肝组织工程和生物人工肝领域的重大挑战，因为这些肝细胞在分离后会迅速失去代谢和功能特征。受天然肝组织中发现的大孔结构的启发，作者开发了合成水凝胶支架，通过聚乙二醇（PEG）和多糖之间的相分离来模仿肝脏的结构组织，从结构方面构建了仿肝细胞细胞外基质的大孔水凝胶材料。该水凝胶表现出互连的大孔结构和适当的机械性能，表现出与脱细胞肝类似的微结构，提供了有利于肝细胞粘附和大量聚集体形成的最佳微环境，避免了肝细胞的失巢凋亡，确保了肝细胞的高存活率。该水凝胶可以维持细胞活性和功能高达至少14天，而二维培养导致细胞死亡，通过广泛地对比肝细胞存活和功能的一些重要信号通路发现，基于此种水凝胶三维培养的肝细胞在长达30天的培养周期后仍然维持着与培养之前相类似的基因表达水平。蛋白质测序数据进一步证实了在我们的水凝胶中培养时肝细胞之间细胞间相互作用的建立。值得注意的是，这些肝细胞维持了与新鲜分离的肝细胞非常相似的蛋白质表达谱系，特别是在Notch和TNF信号通路中。本研究的结果表明大孔水凝胶是肝组织工程有吸引力的支架，所构建的组织特异性肝细胞ECM仿生材料具有重要的应用前景。
图1 原代肝细胞分离、水凝胶制备和水凝胶中培养的细胞的示意图。(a) 肝小叶是肝组织的基本组成部分。肝细胞是肝脏的主要实质细胞。(b) 通过将PEG和葡聚糖以一定的组成混合，观察到相分离现象。(c) 使用紫外线触发聚合来固定水凝胶中的相分离。通过透析除去葡聚糖和未聚合的单体。（d）将（a）中分离的肝细胞加载到水凝胶中。(e) 葡聚糖、丙烯酰胺和4ArmPEG-丙烯酰胺的结构。(f) 肝细胞在相分离水凝胶中聚集并建立细胞-细胞接触。
图2 天然肝脏的复杂多级结构水凝胶仿生材料 （a）该水凝胶提供了有利于肝细胞粘附和大量聚集体形成的最佳微环境，避免了肝细胞的失巢凋亡，确保了肝细胞的高存活率。（b）该水凝胶可以维持细胞活性和功能高达至少14天，而二维培养导致细胞死亡（c）此种水凝胶三维培养的肝细胞在长达30天的培养周期后仍然维持着与培养之前相类似的基因表达水平。
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