Exercise-induced piezoelectric stimulation for cartilage regeneration in rabbits

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作者
Yang Liu,Godwin K. Dzidotor,Thinh T. Le,Thanh D. Nguyen,Kristin D. Morgan,Eli Curry,Ritopa Das,Aneesah McClinton,Ellen Eisenberg,L. Burdick,Khanh T. M. Tran,Himmat Singh,Tyler J. Flanagan,Seok‐Woo Lee,Ho‐Man Kan,Meysam T. Chorsi,Kevin W.‐H. Lo,Cato T. Laurencin,Thanh D. Nguyen
出处
期刊:Science Translational Medicine [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:14 (627) 被引量:124
标识
DOI:10.1126/scitranslmed.abi7282
摘要

More than 32.5 million American adults suffer from osteoarthritis, and current treatments including pain medicines and anti-inflammatory drugs only alleviate symptoms but do not cure the disease. Here, we have demonstrated that a biodegradable piezoelectric poly(L-lactic acid) (PLLA) nanofiber scaffold under applied force or joint load could act as a battery-less electrical stimulator to promote chondrogenesis and cartilage regeneration. The PLLA scaffold under applied force or joint load generated a controllable piezoelectric charge, which promoted extracellular protein adsorption, facilitated cell migration or recruitment, induced endogenous TGF-β via calcium signaling pathway, and improved chondrogenesis and cartilage regeneration both in vitro and in vivo. Rabbits with critical-sized osteochondral defects receiving the piezoelectric scaffold and exercise treatment experienced hyaline-cartilage regeneration and completely healed cartilage with abundant chondrocytes and type II collagen after 1 to 2 months of exercise (2 to 3 months after surgery including 1 month of recovery before exercise), whereas rabbits treated with nonpiezoelectric scaffold and exercise treatment had unfilled defect and limited healing. The approach of combining biodegradable piezoelectric tissue scaffolds with controlled mechanical activation (via physical exercise) may therefore be useful for the treatment of osteoarthritis and is potentially applicable to regenerating other injured tissues.
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