One-Dimensional Ferroelectric Nanoarrays with Wireless Switchable Static and Dynamic Electrical Stimulation for Selective Regulating Osteogenesis and Antiosteosarcoma

材料科学 生物医学工程 间充质干细胞 刺激 骨整合 骨肉瘤 骨组织 纳米技术 癌症研究 植入 医学 病理 外科 内科学
作者
Cairong Xiao,Lei Fan,Shiqi Zhou,Xinchang Kang,Pengfei Guan,Rumin Fu,Changhao Li,Jian Ren,Zhengao Wang,Peng Yu,Yan Wang,Chunlin Deng,Lei Zhou,Chengyun Ning
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 20770-20785 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07900
摘要

Preventing local tumor recurrence and simultaneously improving bone-tissue regeneration are in great demand for osteosarcoma therapy. However, the current therapeutic implants fail to selectively suppress tumor growth and enhance osteogenesis, and antitumor therapy may compromise osseointegration of the bone implant. Here, based on the different responses of bone tumor cells and osteoblasts to different electric stimulations, we constructed ferroelectric BaTiO3 nanorod arrays (NBTO) on the surface of titanium implants with switchable dynamic and static electrical stimulation for selective bone-tumor therapy and bone tissue regeneration. Polarized NBTO (PNBTO) generated a sustained dynamic electrical stimulus in response to wireless ultrasonic irradiation ("switch-on"), which disrupted the orientation of the spindle filaments of the tumor cell, blocked the G2/M phase of mitosis, and ultimately led to tumor cell death, whereas it had almost no cytotoxic effect on normal bone cells. Under the switch-off state, PNBTO with a high surface potential provided static electrical stimulation, accelerating osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells and enhancing the quality of bone regeneration both in vitro and in vivo. This study broadens the biomedical potential of electrical stimulation therapy and provides a comprehensive and clinically feasible strategy for the overall treatment and tissue regeneration in osteosarcoma.
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