3D printing of Cu-doped bioactive glass composite scaffolds promotes bone regeneration through activating the HIF-1α and TNF-α pathway of hUVECs

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作者
Qiyuan Dai,Qingtao Li,Huichang Gao,Longtao Yao,Zefeng Lin,Dingguo Li,Shuangli Zhu,Cong Liu,Zhen Yang,Gang Wang,Dafu Chen,Xiaofeng Chen,Xiaodong Cao
出处
期刊:Biomaterials Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:9 (16): 5519-5532 被引量:82
标识
DOI:10.1039/d1bm00870f
摘要

The increasing insight into the molecular and cellular processes within the angiogenic cascade assists in enhancing the survival and integration of engineered bone constructs. Copper-doped bioactive glass (Cu-BG) is now a potential structural component of the novel scaffolds and implants used in orthopedic and dental repairs. However, it is difficult for BG, especially micro-nano particles, to be printed into scaffolds and still retain its biological activity and ability to biodegrade. Additionally, the mechanisms of the copper-stimulating autocrine and paracrine effects of human umbilical vein endothelial cells (hUVECs) during repair and regeneration of bone are not yet clear. Therefore, in this study, we created monodispersed micro-nano spherical Cu-BG particles with varying copper content through a sol-gel process. Through in vitro tests, we found that Cu-BG enhanced angiogenesis by activating the pro-inflammatory environment and the HIF-1α pathway of hUVECs. Furthermore, 2Cu-BG diluted extracts directly promoted the osteogenic differentiation of mouse bone mesenchymal stem cells (BMSCs) in vitro. Then, a new 3D-printed tyramine-modified gelatin/silk fibroin/copper-doped bioactive glass (Gel/SF/Cu-BG) scaffold for rat bone defects was constructed, and the mechanism of the profound angiogenesis effect regulated by copper was explored in vivo. Finally, we found that hydrogel containing 1 wt% 2Cu-BG effectively regulated the spatiotemporal coupling of vascularization and osteogenesis. Therefore, Cu-BG-containing scaffolds have great potential for a wide range of bone defect repairs.
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