ZIF-8-Modified Multifunctional Bone-Adhesive Hydrogels Promoting Angiogenesis and Osteogenesis for Bone Regeneration

材料科学 自愈水凝胶 生物相容性 碱性磷酸酶 血管生成 间充质干细胞 生物医学工程 骨愈合 化学 外科 生物化学 高分子化学 细胞生物学 生物 癌症研究 医学 冶金
作者
Yanhua Liu,Zhou Zhu,Xibo Pei,Xin Zhang,Xinting Cheng,Shanshan Hu,Xiaomeng Gao,Jian Wang,Junyu Chen,Qianbing Wan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (33): 36978-36995 被引量:197
标识
DOI:10.1021/acsami.0c12090
摘要

Designing bone adhesives with adhesiveness, antideformation, biocompatibility, and biofunctional effects has great practical significance for bone defect reconstructive treatment, especially for bone graft repair surgery. Here, we designed zeolitic imidazolate framework-8 nanoparticle (ZIF-8 NP)-modified catechol–chitosan (CA-CS) multifunctional hydrogels (CA-CS/Z) to stabilize the bone graft environment, ensure blood supply, promote osteogenic differentiation, and accelerate bone reconstruction. Characterizations confirmed the successful synthesis of CA-CS/Z hydrogels. Hydrogels exhibited advanced rheological properties, reliable mechanical strength, and excellent adhesion for clinical applications. Based on excellent biocompatibility, it could enhance paracrine of the vascular endothelial growth factor (VEGF) in rat bone marrow mesenchymal stem cells (rBMSCs) to ensure blood supply reconstruction in bone defect areas. Furthermore, the ZIF-8 NPs released from the hydrogels could also up-regulate the production and secretion of alkaline phosphatase, collagen 1, and osteocalcin, promoting the osteogenic differentiation of rBMSCs. In addition, the antibacterial properties of CA-CS/Z could also be observed. In vivo experiments further provided a powerful proof that CA-CS/Z promoted vascularized osteogenesis in wound areas by stabilizing bone graft materials and greatly accelerated the speed and healing of bone reconstruction. These results indicate the promising potential of CA-CS/Z hydrogels with promoting implantation stability, angiogenesis, and osteogenesis for bone regeneration applications.
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