DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-026-04197-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41764495
تاريخ النشر: 2026-02-28
المؤلف: Sang Luo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير هيدروجيل متعدد الوظائف يعتمد على البوليسكاريد مصمم لتجديد الكبد، باستخدام ألجينات الصوديوم (SA) ولجنوسولفونات الصوديوم (SL) وتقنيات الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد المتقدمة. يدمج الهيدروجيل كريات FH1@SA الدقيقة وجزيئات CaO2@ZIF-8@SL النانوية، التي تعمل بشكل متكامل لإعادة إنشاء البيئة الدقيقة الكبدية من خلال تسهيل توليد الأكسجين، وتوفير خصائص مضادة للأكسدة، وتعديل الالتهاب. يساعد الإفراج المستمر عن FH1 من الكريات الدقيقة على تكيف الخلايا الكبدية مع الظروف المنخفضة الأكسجين، بينما تمكن الجزيئات النانوية من الإفراج المنظم عن الأكسجين والتحلل المستجيب لـ pH، مما يساهم بفعالية في إزالة الأنواع التفاعلية من الأكسجين وتقليل الضغط الالتهابي. يظهر الهيدروجيل خصائص ميكانيكية ملائمة، وقابلية للحقن، وتوافق خلوي، مما يدعم تكاثر الخلايا الكبدية وتجديد الأنسجة.
في الختام، تنجح الدراسة في بناء هيكل هيدروجيل مطبوع ثلاثي الأبعاد يعتمد على البوليسكاريد يحاكي المصفوفة خارج الخلية الأصلية من خلال شبكة مزدوجة من حمض الهيالورونيك (HAMA) وSA، معززة بخصائص SL المضادة للأكسدة. يعزز هذا الهيكل إعادة برمجة الأيض وتمايز الخلايا الكبدية، كما تؤكد التحليلات النسخية والدراسات الحية، التي تكشف عن تنشيط المسارات التنموية الكبدية والوعائية، مما يؤدي إلى تحسين إعادة تشكيل الأنسجة والتعافي الوظيفي. تسلط النتائج الضوء على إمكانيات هذا الهيدروجيل البوليسكاريدي في تنظيم توازن الأكسدة والاختزال وإشارات الخلايا لتجديد أنسجة الكبد، بينما تؤسس أيضًا أساسًا لتطبيق أنظمة البوليسكاريد-اللامعدنية الهجينة في أنسجة أخرى ذات متطلبات أيضية عالية وتطوير الأعضاء الحيوية الاصطناعية.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث التحدي الصحي العالمي الكبير الذي تسببه إصابات الكبد الناتجة عن أسباب متنوعة، بما في ذلك الصدمات، والعدوى، وسُمّية الأدوية. تؤكد الأدوار الحيوية للكبد في إزالة السموم، والأيض، وتنظيم المناعة على ضرورة معالجة الإصابات الكبدية الشديدة، التي يمكن أن تؤدي إلى نخر الخلايا الكبدية وفشل الكبد. بينما تعتبر زراعة الكبد العلاج الأساسي لمرض الكبد في مراحله النهائية، فإن التحديات مثل نقص المتبرعين والرفض المناعي تستدعي طرق علاجية بديلة.
في هذا السياق، تستكشف الورقة إمكانيات الهيدروجيلات القائمة على البوليسكاريد كمواد حيوية لبناء كبد اصطناعي. تقدم هذه الهيدروجيلات، وخاصة ألجينات الصوديوم (SA) ولجنوسولفونات الصوديوم (SL)، مزايا مثل التوافق الحيوي والقدرة على محاكاة المصفوفة خارج الخلية. تقدم الدراسة هيكل هيدروجيل مطبوع ثلاثي الأبعاد جديد يدمج كريات دقيقة نشطة حيويًا وجزيئات نانوية تولد الأكسجين لإعادة إنشاء البيئة الدقيقة الكبدية. على وجه التحديد، يستخدم الهيكل كريات FH1@SA الدقيقة للإفراج المنظم عن جزيئات تجديد الكبد وكالسيوم بيروكسايد (CaO2) المحاط في إطار زيوتي إيميدازولات-8 (ZIF-8) لتوصيل الأكسجين بشكل منظم. يعزز دمج SL خصائص الهيكل المضادة للأكسدة والمضادة للالتهابات. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة هيدروجيلًا متعدد الوظائف يعتمد على البوليسكاريد ينظم بفعالية البيئة الدقيقة الكبدية، مما يعزز بقاء الخلايا الكبدية والتعافي الوظيفي، وبالتالي يقدم استراتيجية واعدة لتجديد الكبد وأنظمة الكبد الاصطناعي.
الطرق
توضح قسم الطرق في ورقة البحث المواد والإجراءات المستخدمة للتحقيق في الهياكل القائمة على البوليسكاريد للتطبيقات الطبية الحيوية. تم توصيف ألجينات الصوديوم (SA) وحمض الهيالورونيك لخصائصها الهيكلية، حيث أن SA هو كوبوليمر منخفض اللزوجة من حمض β-D-mannuronic وحمض α-L-guluronic، ويتكون حمض الهيالورونيك من وحدات ثنائية السكر المتكررة. استخدمت الدراسة الجيلاتين الميثاكريلي (GelMA) وحمض الهيالورونيك الميثاكريلي (HAMA) لإنشاء كريات دقيقة محملة بالأدوية وطلاءات مضادة للأكسدة، على التوالي. تم تصنيع جزيئات بيروكسايد الكالسيوم وتعديلها لتعزيز خصائصها لتوصيل الأكسجين.
شملت الدراسة تصنيع هياكل هيدروجيل مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام حبر حيوي مركب، تم تقييم خصائصها الفيزيائية والكيميائية من خلال تقنيات متنوعة، بما في ذلك مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). قيمت التجارب المختبرية توافق الهياكل مع خلايا جذعية ميزانشيمية بشرية وخلايا كبدية، بينما تضمنت الدراسات الحية زراعة الهياكل في الفئران لتقييم التوعية ووظيفة الكبد بعد استئصال الكبد. تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام ANOVA لتحديد دلالة النتائج، مع عتبة قيمة p أقل من 0.05.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الأساسية. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند مستوى p < 0.05. على وجه التحديد، أظهرت البيانات زيادة في مقاييس الأداء، مما يشير إلى أن الاستراتيجيات المنفذة عززت النتائج بفعالية. علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على تداعيات هذه النتائج ضمن السياق الأوسع للمجال. تدعم النتائج الإطار النظري الأولي وتوفر أيضًا رؤى حول التطبيقات المحتملة والاتجاهات البحثية المستقبلية. تؤكد الدراسة على أهمية الاستكشاف المستمر في هذا المجال للتحقق من هذه النتائج وتوسيع نطاقها.
المناقشة
تتوسع قسم المناقشة في ورقة البحث في توصيف الهيكل والتركيب لجزيئات الأكسجين المنتجة ذاتيًا، تحديدًا CaO₂@ZIF-8@SL. أكدت تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) وجود قمم مميزة لـ CaO₂ وZIF-8، مما يدل على بلورية عالية ونمو ناجح في الموقع لـ ZIF-8 على CaO₂. كشفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) عن قمم امتصاص ملحوظة تتعلق باهتزازات تمدد O-O ومجموعات وظيفية مرتبطة بكل من CaO₂ وZIF-8@SL، مما يشير إلى ارتباط وتفاعل فعال بين هذه المكونات. توضح صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) التغيرات الشكلية بعد التعديل، حيث أظهرت جزيئات CaO₂@ZIF-8@SL سطحًا أكثر خشونة وحجم جزيئات أصغر متوسط، مما يدل على نمو منظم بسبب وجود CaO₂ وSL.
علاوة على ذلك، تبرز الدراسة الإفراج المعزز عن الأكسجين واستقرار جزيئات CaO₂@ZIF-8@SL، التي، بالتزامن مع بيروكسيد الهيدروجين، أسفرت عن أعلى مستويات من الأكسجين المذاب. أظهرت الجزيئات النانوية نشاطًا كبيرًا في إزالة الجذور الحرة، يُعزى إلى مجموعات الهيدروكسيل الفينولية في SL، التي تفاعلت بفعالية مع جذور DPPH. تؤكد النتائج على إمكانيات هذه الجزيئات النانوية في خلق بيئة دقيقة ملائمة للتطبيقات الخلوية، لا سيما في تعزيز بقاء الخلايا وتعزيز السلوك الوعائي في الهيدروجيلات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مما يدعم في النهاية تجديد أنسجة الكبد والتوعية في الجسم الحي. كما أكدت التحليلات النسخية هذه الملاحظات، كاشفة أن الهيدروجيل ذو الوحدة المزدوجة أثر بشكل كبير على التعبير الجيني المتعلق بالتمايز الكبدى وتنظيم الأيض، مما يعزز القدرة الوظيفية لخلايا شبيهة الخلايا الكبدية بعد الزراعة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-026-04197-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41764495
Publication Date: 2026-02-28
Author(s): Sang Luo et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
This research presents the development of a multifunctional polysaccharide-based hydrogel designed for liver regeneration, utilizing sodium alginate (SA), sodium lignosulfonate (SL), and advanced 3D bioprinting techniques. The hydrogel integrates FH1@SA microspheres and CaO2@ZIF-8@SL nanoparticles, which work synergistically to recreate the hepatic microenvironment by facilitating oxygen generation, providing antioxidant properties, and modulating inflammation. The sustained release of FH1 from the microspheres aids hepatocyte adaptation to hypoxic conditions, while the nanoparticles enable controlled oxygen release and pH-responsive degradation, effectively scavenging reactive oxygen species and reducing inflammatory stress. The hydrogel demonstrates favorable mechanical properties, injectability, and cytocompatibility, thereby supporting hepatocyte proliferation and tissue regeneration.
In conclusion, the study successfully constructs a 3D-printed polysaccharide-based hydrogel scaffold that mimics the native extracellular matrix through a dual-network matrix of hyaluronic acid (HAMA) and SA, enhanced by the antioxidant properties of SL. This scaffold promotes metabolic reprogramming and hepatocyte differentiation, as confirmed by transcriptomic and in vivo analyses, which reveal activation of hepatic developmental and angiogenic pathways, leading to improved tissue remodeling and functional recovery. The findings highlight the potential of this polysaccharide hydrogel in orchestrating redox homeostasis and cell signaling for liver tissue regeneration, while also establishing a foundation for the application of polysaccharide-inorganic hybrid systems in other metabolically demanding tissues and bioartificial organ development.
Introduction
The introduction of the research paper addresses the significant global health challenge posed by liver injuries resulting from various causes, including trauma, infection, and drug toxicity. The liver’s critical roles in detoxification, metabolism, and immune regulation underscore the urgency of addressing severe hepatic injuries, which can lead to hepatocyte necrosis and liver failure. While liver transplantation is the primary treatment for end-stage liver disease, challenges such as donor shortages and immune rejection necessitate alternative therapeutic approaches.
In this context, the paper explores the potential of polysaccharide-based hydrogels as biomaterials for bioartificial liver construction. These hydrogels, particularly sodium alginate (SA) and sodium lignosulfonate (SL), offer advantages such as biocompatibility and the ability to mimic the extracellular matrix. The study introduces a novel 3D-printed hydrogel scaffold that integrates bioactive microspheres and oxygen-generating nanoparticles to recreate the hepatic microenvironment. Specifically, the scaffold utilizes FH1@SA microspheres for controlled release of liver-regenerative molecules and calcium peroxide (CaO2) encapsulated in zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) for regulated oxygen delivery. The incorporation of SL enhances the scaffold’s antioxidant and anti-inflammatory properties. Overall, this research presents a multifunctional polysaccharide-based hydrogel that effectively modulates the hepatic microenvironment, promoting hepatocyte survival and functional recovery, thereby offering a promising strategy for liver regeneration and bioartificial liver systems.
Methods
The methods section of the research paper details the materials and procedures used to investigate polysaccharide-based scaffolds for biomedical applications. Sodium alginate (SA) and hyaluronic acid were characterized for their structural properties, with SA being a low-viscosity copolymer of β-D-mannuronic and α-L-guluronic acids, and hyaluronic acid comprising repeating disaccharide units. The study utilized methacrylated gelatin (GelMA) and methacrylated hyaluronic acid (HAMA) to create drug-loaded microspheres and antioxidant coatings, respectively. Calcium peroxide nanoparticles were synthesized and modified to enhance their properties for oxygen delivery.
The research involved the fabrication of 3D-printed hydrogel scaffolds using composite bioinks, which were assessed for their physicochemical features through various techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). In vitro assays evaluated the cytocompatibility of the scaffolds with human mesenchymal stem cells and hepatocytes, while in vivo studies involved the implantation of scaffolds in mice to assess vascularization and liver function post-hepatectomy. Statistical analyses were performed using ANOVA to determine the significance of the findings, with a p-value threshold of less than 0.05.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at the p < 0.05 level. Specifically, the data showed an increase in the performance metrics, suggesting that the implemented strategies effectively enhanced outcomes. Furthermore, the discussion highlights the implications of these findings within the broader context of the field. The results not only support the initial theoretical framework but also provide insights into potential applications and future research directions. The study underscores the importance of continued exploration in this area to validate and expand upon these findings.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the structural and compositional characterization of self-produced oxygen nanoparticles, specifically CaO₂@ZIF-8@SL. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the presence of characteristic peaks for CaO₂ and ZIF-8, indicating high crystallinity and successful in-situ growth of ZIF-8 on CaO₂. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy revealed significant absorption peaks corresponding to O-O stretching vibrations and functional groups associated with both CaO₂ and ZIF-8@SL, suggesting effective attachment and interaction between these components. Scanning electron microscopy (SEM) images illustrated the morphological changes post-modification, with the CaO₂@ZIF-8@SL nanoparticles exhibiting a rougher surface and smaller average particle size, indicative of regulated growth due to the presence of CaO₂ and SL.
Moreover, the study highlights the enhanced oxygen release and stability of the CaO₂@ZIF-8@SL nanoparticles, which, in conjunction with hydrogen peroxide, resulted in the highest dissolved oxygen levels. The nanoparticles demonstrated significant radical scavenging activity, attributed to the phenolic hydroxyl groups in SL, which effectively interacted with DPPH radicals. The findings underscore the potential of these nanoparticles in creating a favorable microenvironment for cellular applications, particularly in enhancing cell viability and promoting angiogenic behavior in 3D printed hydrogels, ultimately supporting liver tissue regeneration and vascularization in vivo. The transcriptomic analysis further corroborated these observations, revealing that the dual-module hydrogel significantly influenced gene expression related to hepatic differentiation and metabolic regulation, thereby enhancing the functional capacity of hepatocyte-like cells post-transplantation.