In Situ Enzymatic Reaction Generates Magnesium‐Based Mineralized Microspheres with Superior Bioactivity for Enhanced Bone Regeneration

丝素 生物矿化 碱性磷酸酶 再生(生物学) 成骨细胞 材料科学 化学 生物物理学 生物医学工程 体外 细胞生物学 生物化学 化学工程 丝绸 生物 复合材料 工程类 医学
作者
Zhuyun Cai,Xiaohao Liu,Miao Hu,Yichen Meng,Jianquan Zhao,Yixuan Tan,Xiong Luo,Ce Wang,Jun Ma,Zhongyi Sun,Yingying Jiang,Bing‐Qiang Lu,Rui Gao,Feng Chen,Xuhui Zhou
出处
期刊:Advanced Healthcare Materials [Wiley]
卷期号:12 (24): e2300727-e2300727 被引量:27
标识
DOI:10.1002/adhm.202300727
摘要

Abstract Bone is a naturally mineralized tissue with a remarkable hierarchical structure, and the treatment of bone defects remains challenging. Microspheres with facile features of controllable size, diverse morphologies, and specific functions display amazing potentials for bone regeneration. Herein, inspired by natural biomineralization, a novel enzyme‐catalyzed reaction is reported to prepare magnesium‐based mineralized microspheres. First, silk fibroin methacryloyl (SilMA) microspheres are prepared using a combination of microfluidics and photo‐crosslinking. Then, the alkaline phosphatase (ALP)‐catalyzed hydrolysis of adenosine triphosphate (ATP) is successfully used to induce the formation of spherical magnesium phosphate (MgP) in the SilMA microspheres. These SilMA@MgP microspheres display uniform size, rough surface structure, good degradability, and sustained Mg 2+ release properties. Moreover, the in vitro studies demonstrate the high bioactivities of SilMA@MgP microspehres in promoting the proliferation, migration, and osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). Transcriptomic analysis shows that the osteoinductivity of SilMA@MgP microspheres may be related to the activation of the PI3K/Akt signaling pathway. Finally, the bone regeneration enhancement units (BREUs) are designed and constructed by inoculating BMSCs onto SilMA@MgP microspheres. In summary, this study demonstrates a new biomineralization strategy for designing biomimetic bone repair materials with defined structures and combination functions.
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