Enhanced bone regeneration via spatiotemporal and controlled delivery of a genetically engineered BMP-2 in a composite Hydrogel

骨形态发生蛋白2 组织谷氨酰胺转胺酶 单宁酸 氨基三乙酸 共价键 骨愈合 再生(生物学) 材料科学 化学 骨形态发生蛋白 生物医学工程 蛋白质工程 生物物理学 纳米技术 复合数 基因工程 自愈水凝胶 组织工程 生物材料 溶菌酶 表面改性 控制释放 骨形成 翻译后修饰 生物化学 骨组织
作者
Xin Chen,Baoyu Tan,Zhiteng Bao,Shang Wang,Rongze Tang,Zhenmin Wang,Gaoyang Chen,Shuai Chen,William W. Lu,Dazhi Yang,Songlin Peng
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier]
卷期号:277: 121117-121117 被引量:86
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2021.121117
摘要

Scaffolds functionalized with bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) have shown great potential for bone regeneration. However, structural instability and the necessity for supra-physiological dose have thus far limited practical applications for BMP-2. Protein modification and site-specific covalent immobilization of BMP-2 to carrier materials might be optimal strategies to overcome these problems. Here, we report a broadly applicable strategy where the polyhistidine tag-T4 Lysozyme (His6-T4L) was genetically fused at the N-terminus of BMP-2 and used as a protein spacer, which on one hand enhanced protein solubility and stability, and on the other hand mediated site-specific covalent anchoring of BMP-2 upon binding to nickel-chelated nitrilotriacetic acid (Ni-NTA) microparticles (denoted as MPs-His6-T4L-BMP2) to further maximize its rescued activity. We also constructed a novel gelatin-based hydrogel that was crosslinked by transglutaminase (TG) and tannic acid (TA). This hydrogel, when incorporated with MPs-His6-T4L-BMP2, displayed excellent in-situ injectability, thermosensitivity, adhesiveness and improved mechanical properties. The effective loading mode led to a controlled and long-term sustained release of His6-T4L-BMP2, thereby resulting in enhancement of bone regeneration in a critical-sized bone defect. We believe that the protein modification strategy proposed here opens up new route not only for BMP-2 applications, but can be used to inform novel uses for other macromolecules.
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