Intelligent Supramolecular Modification for Implants: Endogenous Regulation of Bone Defect Repair in Osteoporosis

材料科学 超分子化学 表面改性 骨质疏松症 生物物理学 高分子 粘附 细胞生物学 化学 生物化学 生物 医学 内科学 有机化学 分子 物理化学 复合材料
作者
Xingyu Zhou,Junhui Jiang,Junbo Dang,Yilong Wang,Ruibo Hu,Chen Shen,Tianhao Zhao,Dahui Sun,Guibin Wang,Mei Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (40): e2406227-e2406227 被引量:21
标识
DOI:10.1002/adma.202406227
摘要

Addressing osteoporosis-related bone defects, a supramolecular strategy is innovated for modifying carbon fiber reinforced polyether ether ketone (CF/PEEK) composites. By covalently attaching intelligent macromolecules via in situ RAFT polymerization, leveraging the unique pathological microenvironment in patients with iron-overloaded osteoporosis, intelligent supramolecular modified implant surface possesses multiple endogenous modulation capabilities. After implantation, surface brush-like macromolecules initially resist macrophage adhesion, thereby reducing the level of immune inflammation. Over time, the molecular chains undergo conformational changes due to Fe (III) mediated supramolecular self-assembly, transforming into mechanistic signals. These signals are then specifically transmitted to pre-osteoblast cell through the binding capacity of the KRSR short peptide at the molecular terminus, induced their osteogenic differentiation via the YAP/β-catenin signaling axis. Furthermore, osteoblasts secrete alkaline phosphatase (ALP), which significantly hydrolyzes phosphate ester bonds in surface macromolecular side groups, resulting in the release of alendronate (ALN). This process further improves the local osteoporotic microenvironment. This intelligent surface modification tailors bone repair to individual conditions, automatically realize multiple endogenous regulation once implanted, and truly realize spontaneous activation of a series of responses conducive to bone repair in vivo. It is evidenced by improved bone regeneration in iron-overloaded osteoporotic rabbits and supported by in vitro validations.
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