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Conductive and Enhanced Mechanical Strength of Mo2Ti2C3 MXene-Based Hydrogel Promotes Neurogenesis and Bone Regeneration in Bone Defect Repair

材料科学 碱性磷酸酶 成骨细胞 骨形态发生蛋白2 自愈水凝胶 神经发生 生物医学工程 化学 细胞生物学 生物化学 高分子化学 体外 生物 医学
作者
Hongyu Wang,Yu-Ching Hsu,Chune Wang,Xiao Xiao,Zhengbin Yuan,Yong Hui Zhu,Dazhi Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (14): 17208-17218 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsami.3c19410
摘要

Bone defects are common with increasing high-energy fractures, tumor bone invasion, and implantation revision surgery. Bone is an electroactive tissue that has electromechanical interaction with collogen, osteoblasts, and osteoclasts. Hydrogel provides morphological plasticity and extracellular matrix (ECM) 3D structures for cell survival, and is widely used as a bone engineering material. However, the hydrogels have poor mechanical intensity and lack of cell adhesion, slow gelation time, and limited conductivity. MXenes are novel nanomaterials with hydrophilic groups that sense cell electrophysiology and improve hydrogel electric conductivity. Herein, gelatin had multiple active groups (NH2, OH, and COOH) and an accelerated gelation time. Acrylamide has Schiff base bonds to cross-link with gelatin and absorb metal ions. Deacetylated chitosan improved cell adhesion and active groups to connect MXene and acrylamide. We constructed Mo2Ti2C3 MXene hydrogel with improved elastic modulus and viscosity, chemical cross-linking structure, electric conductivity, and good compatibility. Mo2Ti2C3 MXene hydrogel exhibits outstanding osteogenesis in vitro. Mo2Ti2C3 MXene hydrogel promotes osteogenesis via alkaline phosphatase (ALP) and alizarin red S (ARS) staining, improving osteogenic marker genes and protein expressions in vitro. Mo2Ti2C3 MXene hydrogel aids new bone formation in the in vivo calvarial bone defect model via micro-CT and histology. Mo2Ti2C3 MXene hydrogel facilitates neurogenesis factors nerve growth factor (NGF) and brain-derived neurotrophic factor (BDNF) expression, and aids newly born neuron marker Tuj-1 and sensory neuron marker serotonin (5-HT) and osteogenesis pathway proteins, runt-related transcription factor 2 (Runx2), osteocalcin (OCN), SMAD family member 4 (SMAD4), and bone morphogenetic protein-2 (BMP2) in the bone defect repair process. Mo2Ti2C3 MXene hydrogel promotes osteogenesis and neurogenesis, which extends its biomedical application in bone defect reconstruction.
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