Enzyme-Mineralized PVASA Hydrogels with Combined Toughness and Strength for Bone Tissue Engineering

自愈水凝胶 材料科学 韧性 生物相容性 矿化(土壤科学) 组织工程 脆性 复合材料 乙烯醇 生物医学工程 化学工程 聚合物 化学 高分子化学 有机化学 冶金 工程类 氮气 医学
作者
Guangpeng Zhang,Xinying Wang,Guolong Meng,Tingting Xu,Jun Shu,Jingwen Zhao,Jing Hui He,Fang Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 178-189 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsami.3c14006
摘要

Enzymatic mineralization is an advanced mineralization method that is often used to enhance the stiffness and strength of hydrogels, but often accompanied by brittle behavior. Moreover, the hydrogel systems with dense networks currently used for enzymatic mineralization are not ideal materials for bone repair applications. To address these issues, two usual bone repair hydrogels, poly(vinyl alcohol) (PVA) and sodium alginate (SA), were selected to form a double-network structure through repeated freeze–thawing and ionic cross-linking, followed by enzyme mineralization. The results demonstrated that both enzymatic mineralization and double-network structure improved the mechanical and biological properties and even exhibited synergistic effects. The mineralized PVASA hydrogels exhibited superior comprehensive mechanical properties, with a Young’s modulus of 1.03 MPa, a storage modulus of 103 kPa, and an equilibrium swelling ratio of 132%. In particular, the PVASA hydrogel did not suffer toughness loss after mineralization, with a high toughness value of 1.86 MJ/m 3 . The prepared hydrogels also exhibited superior biocompatibility with a cell spreading area about 13 times that of mineralized PVA. It also effectively promoted cellular osteogenic differentiation in vitro and further promoted the formation of new bone in the femur defect region in vivo. Overall, the enzyme-mineralized PVASA hydrogel demonstrated combined strength and toughness and great potential for bone tissue engineering applications.
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