Piezoelectric Nanoarrays with Mechanical-Electrical Coupling Microenvironment for Innervated Bone Regeneration

材料科学 再生(生物学) 细胞外基质 钛酸钡 神经科学 纳米技术 细胞生物学 生物物理学 生物 光电子学 电介质
作者
Min Wu,Han Lin,Maofei Ran,Mengqing Li,Chengli Liu,Jinhua Piao,Peng Yu,Chengyun Ning,Cairong Xiao,Suijian Qi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.4c17162
摘要

The involvement of neurons in the peripheral nervous system is crucial for bone regeneration. Mimicking extracellular matrix cues provides a more direct and effective strategy to regulate neuronal activity and enhance bone regeneration. However, the simultaneous coupling of the intrinsic mechanical-electrical microenvironment of implants to regulate innervated bone regeneration has been largely neglected. Inspired by the mechanical and bioelectric properties of the bone microenvironment, this study constructed a mechanical-electrical coupling microenvironment (M-E) model based on barium titanate piezoelectric nanoarrays, which could effectively promote innervated bone regeneration. The study found that the mechanical microenvironment provided by the nanostructure, coupled with the electrical microenvironment provided by the piezoelectric properties, created a controllable M-E. In vitro cell experiments demonstrated that this coupled microenvironment activated Piezo2 and VGCC ion channels, promoted calcium influx in DRG neurons, and activated downstream PI3K-AKT and RAS pathways. This cascade of events led to the synthesis and release of CGRP in sensory nerves, ultimately enhancing the osteogenic differentiation of BMSCs. This work not only broadens the current understanding of biomaterials that mimic the bone extracellular matrix but also provides new insights into innervated bone regeneration.
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