凝胶力学及生物活性优化与图案化类肝小叶构建

Natural liver tissue is comprised of the repeating functional units of lobule, which mainly contains hepatocyte and vascular endothelial cell. The establishment of liver function and vascularized network is the key to the liver regeneration. This work aims to set up a co-culture module to simulate cellular distribution features in natural liver on the basis of the photocrosslinkable alginate/gelatin composite hydrogel. This composite hydrogel possesses both tunable mechanical property and cellular biological activity by modulating its composition, and can.realize hepatocyte / vascular endothelial cell co-cultivation in patterned microgel module with specific cell partition by photolithography technology. In this microgel module, preparation of the hydrogel matrix by mimicking natural ECM and unique encapsulation of two kinds of cells by simulating cell-cell interactions in lobule can be expected to promote hepatocyte functional expression and vascular network construction. This system not only can be utilized as a model for research on interactions between hepatocyte and vascular endothelial cells, but also can be further assembled into large liver tissue as the ink for 3D printing technology, thus lying the foundations of liver tissue reconstruction from microscale to macroscale.

肝脏组织由主要含肝细胞和血管内皮细胞的肝小叶组成，肝细胞功能与血管化网络的建立是实现肝组织功能再建的基础。本研究拟通过可光交联海藻酸钠/明胶复合明胶的制备和组成调控赋予材料可制造性，一定力学强度和细胞生物活性，然后，通过光掩膜设计制备肝细胞/血管内皮细胞的图案化分布微凝胶，以建立模拟肝小叶中细胞空间分布特征的共培养模型。在这个微凝胶单元中，凝胶基质模拟细胞外基质功能，而细胞特殊的空间分布方式模拟肝小叶中两种细胞间的相互作用，可望促进肝细胞功能表达，以及肝小叶中的血管网络构建。该结构既可作为研究肝细胞与血管内皮细胞相互作用的模型，又可作为微模块，进一步组装构建肝组织，并为进一步通过组装或3D组织打印技术实现从微观到宏观的肝组织构建奠定基础。

基于功能化凝胶图案化微结构设计，本项目探索了肝细胞与血管内皮细胞分区共培养模拟肝小叶微结构进而实现肝组织结构与功能构建。针对肝组织的细胞组成和结构特点，重点围绕适宜于肝细胞和血管内皮细胞等贴附依赖型细胞功能表达的基质微环境构建，以及基于微制造技术的凝胶功能化分区结构设计展开了研究工作。以天然海藻酸钠水凝胶为基础，通过甲基丙烯酸接枝改性赋予其光交联特性以及光刻蚀制造性；通过引入明胶获得既适合生物制造工艺又支持细胞活性的性能互补的海藻酸钠/明胶复合水凝胶模型，促进图案化微凝胶成型及细胞功能表达；进一步开发了具有更优力学特性的光交联丝素蛋白水凝胶，提升了凝胶微单元的高保真性与组装性。以上述功能化凝胶基质为材料基础，依托光掩膜技术和微流体技术，设计构建了具有多细胞图案化分布特点的放射状六边形共培养模型和双层空心微纤维共培养模型，获得了具有肝细胞和血管内皮细胞分区分布的类肝小叶微结构单元，为基于肝小叶微结构组装构建肝组织提供基础，同时为细胞载体和组织工程等再生医学研究提供材料和模型借鉴，具有重要的科学意义和广泛应用前景。