A biomimetic piezoelectric scaffold with sustained Mg2+ release promotes neurogenic and angiogenic differentiation for enhanced bone regeneration

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作者
Liangyu Wang,Yanyun Pang,Yujing Tang,Xinyu Wang,Daixing Zhang,Xu Zhang,Yingjie Yu,Xiaoping Yang,Qing Cai
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:25: 399-414 被引量:92
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2022.11.004
摘要

Natural bone is a composite tissue made of organic and inorganic components, showing piezoelectricity. Whitlockite (WH), which is a natural magnesium-containing calcium phosphate, has attracted great attention in bone formation recently due to its unique piezoelectric property after sintering treatment and sustained release of magnesium ion (Mg2+). Herein, a composite scaffold (denoted as PWH scaffold) composed of piezoelectric WH (PWH) and poly(ε-caprolactone) (PCL) was 3D printed to meet the physiological demands for the regeneration of neuro-vascularized bone tissue, namely, providing endogenous electric field at the defect site. The sustained release of Mg2+ from the PWH scaffold, displaying multiple biological activities, and thus exhibits a strong synergistic effect with the piezoelectricity on inhibiting osteoclast activation, promoting the neurogenic, angiogenic, and osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stromal cells (BMSCs) in vitro. In a rat calvarial defect model, this PWH scaffold is remarkably conducive to efficient neo-bone formation with rich neurogenic and angiogenic expressions. Overall, this study presents the first example of biomimetic piezoelectric scaffold with sustained Mg2+ release for promoting the regeneration of neuro-vascularized bone tissue in vivo, which offers new insights for regenerative medicine.
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