Periosteum-bone inspired hierarchical scaffold with endogenous piezoelectricity for neuro-vascularized bone regeneration

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作者
Yao Zhao,Yun-Fan Cai,Wenkai Wang,Yongkang Bai,Mingyi Liu,Yan Wang,Wen Niu,Zhixiao Luo,Lingyun Xia,Juanfang Zhu,Fei Zhao,Franklin R. Tay,Li‐na Niu
出处
期刊:Bioactive Materials [Elsevier BV]
卷期号:44: 339-353 被引量:75
标识
DOI:10.1016/j.bioactmat.2024.10.020
摘要

Abstract The development of scaffolds for repairing critical-sized bone defects heavily relies on establishing a neuro-vascularized network for proper penetration of nerves and blood vessels. Despite significant advancements in using artificial bone-like scaffolds infused with various agents, challenges remain. Natural bone tissue consists of a porous bone matrix surrounded by a neuro-vascularized periosteum, with unique piezoelectric properties essential for bone growth. Drawing inspiration from this assembly, we developed a periosteum-bone-mimicking bilayer scaffold with piezoelectric properties for regeneration of critical-sized bone defects. The periosteum-like layer of this scaffold features a double network hydrogel composed of chelated alginate, gelatin methacrylate, and sintered whitlockite nanoparticles, emulating the viscoelastic and piezoelectric properties of the natural periosteum. The bone-like layer is composed of a porous structure of chitosan and bioactive hydroxyapatite created through a biomineralization process. Unlike conventional bone-like scaffolds, this bioinspired bilayer scaffold significantly enhances osteogenesis, angiogenesis, and neurogenesis combined with low-intensity pulsed ultrasound-assisted piezoelectric stimulation. Such a scheme enhances neuro-vascularized bone regeneration in vivo. The results suggest that the bilayer scaffold could serve as an effective self-powered electrical stimulator to expedite bone regeneration under dynamic physical stimulation.
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