Engineering Stem Cell Recruitment and Osteoinduction via Bioadhesive Molecular Mimics to Improve Osteoporotic Bone-Implant Integration

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作者
Jiaxiang Bai,Gaoran Ge,Qing Wang,Wenming Li,Kai Zheng,Yaozeng Xu,Huilin Yang,Guoqing Pan,Dechun Geng
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:2022 被引量:37
标识
DOI:10.34133/2022/9823784
摘要

For patients with osteoporosis, the therapeutic outcomes of osteoimplants are substantially affected by the impaired proliferation, migration, and osteogenic differentiation abilities of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs). To improve bone-implant integration in osteoporotic condition, here we reported a one-step biomimetic surface strategy to introduce BMSC recruiting and osteoinductive abilities onto metallic osteoimplants. In our design, the bioadhesive molecular peptide mimic inspired by mussel foot proteins (Mfps) was used as molecular bridging for surface functionalization. Specifically, a BMSC-targeting peptide sequence (E7) and an osteogenic growth peptide (Y5) were grafted onto the titanium implant surfaces through a mussel adhesion mechanism. We found that a rational E7/Y5 feeding ratio could lead to an optimal dual functionalization capable of not only significantly improving the biocompatibility of the implant but also enabling it to recruit endogenous BMSCs for colonization, proliferation, and osteogenic differentiation. Mechanistically, the E7-assisted in situ recruitment of endogenous BMSCs as well as the enhanced interfacial osteogenesis and osteointegration was associated with activation of the C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4) receptor on the cell surface and promotion of stromal cell-derived factor (SDF-1α) autocrine secretion. We anticipated that rational dual-functional surfaces through bioadhesive molecular mimics will provide a simple, effective, nonimmunogenic, and safe means to improve the clinical outcomes of intraosseous implants, especially under osteoporotic conditions.
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