Current hyaluronic acid (HA) hydrogel systems often cause cytotoxicity to encapsulated cells and lack the adhesive property required for effective localization of transplanted cells in vivo. In addition, the injection of hydrogel into certain organs (e.g., liver, heart) induces tissue damage and hemorrhage. In this study, we describe a bioinspired, tissue‐adhesive hydrogel that overcomes the limitations of current HA hydrogels through its improved biocompatibility and potential for minimally invasive cell transplantation. HA functionalized with an adhesive catecholamine motif of mussel foot protein forms HA‐catechol (HA‐CA) hydrogel via oxidative crosslinking. HA‐CA hydrogel increases viability, reduces apoptosis, and enhances the function of two types of cells (human adipose‐derived stem cells and hepatocytes) compared with a typical HA hydrogel crosslinked by photopolymerization. Due to the strong tissue adhesiveness of the HA‐CA hydrogel, cells are easily and efficiently transplanted onto various tissues (e.g., liver and heart) without the need for injection. Stem cell therapy using the HA‐CA hydrogel increases angiogenesis in vivo, leading to improved treatment of ischemic diseases. HA‐CA hydrogel also improved hepatic functions of transplanted hepatocytes in vivo. Thus, this bioinspired, tissue‐adhesive HA hydrogel can enhance the efficacy of minimally invasive cell therapy.

Surface modification of tissue engineering scaffolds and substrates is required for improving the efficacy of stem cell therapy by generating physicochemical stimulation promoting proliferation and differentiation of stem cells. However, typical surface modification methods including chemical conjugation or physical absorption have several limitations such as multistep, complicated procedures, surface denaturation, batch-to-batch inconsistencies, and low surface conjugation efficiency. In this study, we report a mussel-inspired, biomimetic approach to surface modification for efficient and reliable manipulation of human neural stem cell (NSC) differentiation and proliferation. Our study demonstrates that polydopamine coating facilitates highly efficient, simple immobilization of neurotrophic growth factors and adhesion peptides onto polymer substrates. The growth factor or peptide-immobilized substrates greatly enhance differentiation and proliferation of human NSCs (human fetal brain-derived NSCs and human induced pluripotent stem cell-derived NSCs) at a level comparable or greater than currently available animal-derived coating materials (Matrigel) with safety issues. Therefore, polydopamine-mediated surface modification can provide a versatile platform technology for developing chemically defined, safe, functional substrates and scaffolds for therapeutic applications of human NSCs.

Alginate hydrogels are for various biomedical applications including tissue engineering, cell therapy, and drug delivery. However, it is not easy to control swelling or viscoelastic and biophysical properties of alginate hydrogels prepared by conventional cross-linking methods (ionic interaction using divalent cations). In this study, we describe a bioinspired approach for preparing divalent ion-free alginate hydrogels that exhibit tunable physical and mechanical properties and improved biocompatibility due to the absence of cations in the gel matrices. We conjugated dopamine, a minimalized adhesive motif found in the holdfast pads of mussels, to alginate backbones (alginate-catechol) and the tethered catechols underwent oxidative cross-linking. This resulted in divalent cation-free alginate hydrogels. The swelling ratios and moduli of the alginate-catechol hydrogels are readily tunable, which is difficult to achieve in ionic bond-based alginate hydrogels. Furthermore, alginate-catechol hydrogels enhanced the survival of various human primary cells including stem cells in the three-dimensional gel matrix, indicating that intrinsic cytotoxicity caused by divalent cations becomes negligible when employing catechol oxidation for alginate cross-linking. The inflammatory response in vivo was also significantly attenuated compared to conventional alginate hydrogels with calcium cross-linking. This biomimetic approach for the preparation of alginate hydrogels may provide a novel platform technology to develop tunable, functional, biocompatible, three-dimensional scaffolds for tissue engineering and cell therapy.

Abstract Brain organoids derived from human pluripotent stem cells provide a highly valuable in vitro model to recapitulate human brain development and neurological diseases. However, the current systems for brain organoid culture require further improvement for the reliable production of high-quality organoids. Here, we demonstrate two engineering elements to improve human brain organoid culture, (1) a human brain extracellular matrix to provide brain-specific cues and (2) a microfluidic device with periodic flow to improve the survival and reduce the variability of organoids. A three-dimensional culture modified with brain extracellular matrix significantly enhanced neurogenesis in developing brain organoids from human induced pluripotent stem cells. Cortical layer development, volumetric augmentation, and electrophysiological function of human brain organoids were further improved in a reproducible manner by dynamic culture in microfluidic chamber devices. Our engineering concept of reconstituting brain-mimetic microenvironments facilitates the development of a reliable culture platform for brain organoids, enabling effective modeling and drug development for human brain diseases.

Decellularization of tissues or organs can provide an efficient strategy for preparing functional scaffolds for tissue engineering. Microstructures of native extracellular matrices and their biochemical compositions can be retained in the decellularized matrices, providing tissue-specific microenvironments for efficient tissue regeneration. Here, we report the versatility of liver extracellular matrix (LEM) that can be used for two-dimensional (2D) coating and three-dimensional (3D) hydrogel platforms for culture and transplantation of primary hepatocytes. Collagen type I (Col I) has typically been used for hepatocyte culture and transplantation. In this study, LEM was compared with Col I in terms of biophysical and mechanical characteristics and biological performance for enhancing cell viability, differentiation, and hepatic functions. Surface properties of LEM coating and mechanical properties and gelation kinetics of LEM hydrogel could be manipulated by adjusting the LEM concentration. In addition, LEM hydrogel exhibited improved elastic properties, rapid gelation, and volume maintenance compared to Col I hydrogel. LEM coating significantly improved hepatocyte functions such as albumin secretion and urea synthesis. More interestingly, LEM coating upregulated hepatic gene expression of human adipose-derived stem cells, indicating enhanced hepatic differentiation of these stem cells. The viability and hepatic functions of primary hepatocytes were also significantly improved in LEM hydrogel compared to Col I hydrogel both in vitro and in vivo. Albumin and hepatocyte transcription factor expression was upregulated in hepatocytes transplanted in LEM hydrogels. In conclusion, LEM can provide functional biomaterial platforms for diverse applications in liver tissue engineering by promoting survival and maturation of hepatocytes and hepatic commitment of stem cells. This study demonstrates the feasibility of decellularized matrix for both 2D coating and 3D hydrogel in liver tissue engineering.

Abstract Membrane potential plays a crucial role in various cellular functions. However, existing techniques for measuring membrane potential are often invasive or have limited recording depth. In contrast, magnetic resonance imaging (MRI) offers noninvasive imaging with desirable spatial resolution over large areas. This study investigates the feasibility of utilizing MRI to detect membrane potential changes by measuring magnetic resonance parameters while manipulating membrane potential in cultured cells and in vivo rat models. Our findings reveal that depolarization (or hyperpolarization) of the membrane potential increases (or decreases) the T 2 relaxation time, while the ratio of bound to free water proton shows the opposite trend. These findings also suggest a pioneering approach to noninvasively detect changes in membrane potential using MRI. Highlights Changes in membrane potential can be detected using magnetic resonance imaging (MRI). T 2 relaxation time and magnetization transfer are sensitive to changes in membrane potential.

Abstract Heart degenerative diseases pose a significant challenge due to the limited ability of native heart to restore lost cardiomyocytes. Direct cellular reprogramming technology, particularly the use of small molecules, has emerged as a promising solution to prepare functional cardiomyocyte through faster and safer processes without genetic modification. However, current methods of direct reprogramming often exhibit low conversion efficiencies and immature characteristics of the generated cardiomyocytes, limiting their use in regenerative medicine. This study proposes the use of mitochondrial delivery to metabolically reprogram chemically induced cardiomyocyte‐like cells (CiCMs), fostering enhanced maturity and functionality. Our findings show that mitochondria sourced from high‐energy‐demand organs (liver, brain, and heart) can enhance structural maturation and metabolic functions. Notably, heart‐derived mitochondria resulted in CiCMs with a higher oxygen consumption rate capacity, enhanced electrical functionality, and higher sensitivity to hypoxic condition. These results are related to metabolic changes caused by increased number and size of mitochondria and activated mitochondrial fusion after mitochondrial treatment. In conclusion, our study suggests that mitochondrial delivery into CiCMs can be an effective strategy to promote cellular maturation, potentially contributing to the advancement of regenerative medicine and disease modeling.