A Biomimetic Nanogenerator to Enhance Bone Regeneration by Restoring Electric Microenvironments

纳米发生器 材料科学 细胞生物学 仿生材料 再生(生物学) 仿生学 纳米技术 复合材料 压电 生物
作者
Yiyi Chen,Yuhong Chen,Zeyu Xie,Yuchen Yang,Siyuan Chen,Tianlei Han,Miaomiao Li,Zhengnong Guo,Nuo Sun,Chen Wang
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (1): 525-536 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.3c01357
摘要

Piezoelectric materials have received increasing attention in bone regeneration due to their prominent role in bioelectricity in bone homeostasis. This study aimed to develop bioactive barium titanate–chitosan–graphene oxide piezoelectric nanoparticles (BCG-NPs) to improve biocompatibility and stimulate bone repair. Butterfly loops, hysteresis loops, and in vitro microcurrent studies on BCG-NPs confirmed their good piezoelectric properties. BCG-NPs exhibited enhanced alkaline phosphatase activity, mineralized nodule formation, and expression of osteogenic-associated proteins and genes in human umbilical cord Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells by creating microelectric environments in response to noninvasive ultrasound stimulation. Further, BCG-NPs upregulated intracellular calcium ions via electrical stimulation. They acted synergistically with piezo-type mechanosensitive ion channel component 1 and calcium-permeable cation channel transient receptor potential vanilloid 4 to activate osteogenic differentiation. In conclusion, ultrasound-assisted BCG-NPs created a microelectric environment that putatively promoted bone repair in a noninvasive manner.
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